DOĞAL GAZ & ENERJİ YÖNETİM BİLDİRİLER KİTABI

Transkript

1 TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI DOĞAL GAZ & ENERJİ YÖNETİM KONGRE ve SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI GAZİANTEP EYLÜL 2001

2 TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI Sümer Sok. 36/l-A Demirtepc /ANKARA Tel: 0(312) Fax:23I e-posra:ınmo&mıno.org.tr YAYIN NO : E / 2001 / 273 ISBN : Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odasına aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. voltlarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. Eylül 2001 /Gaziantep II

3 DOĞAL GAZ & ENERJİ YÖNETİMİ KONGRE VE SERGİSİ TMMOB Makina Mühendisleri Odası Gaziantep Şubesi, Gaziantep, Eylül 2001 ORGANİZE SANAYİ BÖLGELERİ ve KENTSEL DOĞAL GAZ DAĞITIM ŞEBEKELERİNİN TASARIMI O. Cahit Eralp, Y. Samim Ünlüsoy Orta Doğu Teknik Üniversitesi ÖZET Doğal gazın ülke genelinde yaygınlaşması ile, kentlerimizde ve özellikle organize sanayi bölgelerinde de doğal gaz kullanımı gündeme gelmiştir. Bu şebekelerin uzun vadede problemsiz olarak işletilebilmesi, tasarım sürecinde bazı hususların göz önüne alınmasını gerektirmektedir. Bir doğal gaz dağıtım şebekesinin projesi üç ana aşamadan oluşmaktadır. Bu aşamalar; tasarım, imalat ve işletme aşamalarıdır. Tasarım aşamasında gözden kaçabilecek veya ihmal edilecek birçok husus, diğer aşamaları olumsuz olarak etkileyecek, imalat aşamasında fiyat artışına, işletme aşamasında ise yetersizliklere yol açacaktır. Bu makalede, birinci aşama olan tasarım konusu incelenmiştir. Tasarım yapılacak bölge için anket ve incelemeler yapılarak toplanan veriler işlenmekte, şebeke için uzun vadeli tüketim ve dağılım profilleri çıkarılmaktadır. Daha sonra geliştirilmiş bilgisayar programları kullanılarak, bölge planı üzerinde gaz dağıtım hatlarının standartlara uygun optimum tasarımı yapılmaktadır. İşletme aşamasındaki problemlerin en aza indirilmesi için "ağ-tipi" şebeke tasarım mantığı kullanılmaktadır. Bilgisayar ortamında yapılan tasarım sonucu üretim aşaması için gerekli bilgiler elde edilmektedir. 1. GİRİŞ Doğalgaz arzının ülkemizde artmasıyla, birçok kentimizde ve endüstriyel bölgemizde doğal 'gaz ısıl ve işlevsel ihtiyaçlar için diğer kaynakların yerini almaya başlamıştır. Bu tercihin nedeni ekonomik faktörler, çevresel faktörler, kullanım ve temin kolaylığıdır. Doğal gaz kullanımının sektörel dağılımı üç başlık altında toplanabilir. 1. Kentsel / Evsel kullanım : Şehir gazı olarak mutfak ve ısıtmada, 2. Endüstriyel kullanım : Çeşitli sanayi sektörlerinde ıstma ve proses ihtiyacı için, 3. Büyük endüstriyel kullanım : Elektrik santrallan ve suni gübre fabrikalarında. 104

4 Bu sektörler gaz kullanımında gaz talebinin büyüklüğü ve düzenliliği açılarından büyük farklar gösterir. Öncelikle ısıtma, gaz kullanım miktarı açısından büyük mevsimsel değişiklikler gösteren bir kullanım şeklidir. Türkiye'de Mayıs- Eylül ayları arasında en az düzeyde seyreden ısıtma ihtiyacı, özellikle Kasım sonu itibarı ile büyük bir çıkış yaparak Mart sonuna kadar maksimum seviyelere yakın kalır. Ayrıca gün içindeki tüketim düzeyleri de büyük, bir değişiklik gösterir. Endüstriyel kullanımda fabrika mekanının ısıtılması dışında proses için, fırınlarda ve buhar üretiminde ihtiyaç duyulur. Bu tüketim sektörel açıdan farklılık gösterse de proses gazı ihtiyacı yıl içinde daha düzgün bir dağılım gösterir [1]. Enerji üretimi, ülkenin sürekli olarak çok ihtiyaç duyduğu ve mevsimsel üretim ve talep farklılıklarını değişik kaynaklı üretim santrallarıyla çözdüğü bir tüketim alanıdır. Elektrik üreticileri ve bunların üretimlerini organize eden dağıtım kuruluşu, ülkemizde şu anda kısıtlı olan doğal gaz arzını da dikkate alarak, mevsimsel sistem talep oynamalarının doğal gaz kaynaklı elektrik santrallarının devreden çıkarılıp alınması vasıtası ile giderilmesi yöntemini kullanabilir. Suni gübre üreticileri ise büyük bir tüketici olmalarına rağmen, taleplerinin mevsimsel profili enerjininki ile ters olması yüzünden sisteme rahatlık sağlarlar. Ayrıca gaz arzı ile sorumlu kuruluş, arz kaynaklarını çoğaltıp çeşitlendirerek ve mevsimsel arz değişimlerini karşılayabilecek gaz depolama yöntemlerini kullanarak bu konuda doğacak gaz yetersizliği problemlerini gidermeye çalışır. Günlük talep değişiklikleri ise yüksek basınçlı iletim kartının gaz tutma kapasitesi ile karşılanır. Gaz kullanıcılarına, gaz kullanım hakları ile ilgili olarak, kesintili veya kesintisiz gaz alım yöntemi önerilmektedir. Kesintili kullanıcılar, sisteme yeterli gaz arzı olmaması veya ütketimin karşılanması zor bir seviyeye gelmesi durumunda devreden çıkarılırlar. Endüstriyel tüketici sürekli gaz gereksiniminin stratejik önemini belirliyerek hangi tarifeden gaz alacağını belirliyebilir. Kentsel gaz kullanımının ise bir ölçüde gaz tüketim önceliği vardır. Bu öncelik, hem insani ve hem de siyasi gerekçelere dayanır. 2. TÜRKİYEDE EVSEL VE ORTA / KÜÇÜK ÖLÇEKLİ SANAYİDE DOĞAL GAZ KULLANIMI Türkiye'ye doğal gazın geldiği ilk günlerden beri, önce Ankara'da, daha sonra İstanbul, Bursa ve Eskişehir'de doğal gaz kentsel dağıtım şebekeleri kurulmuş ve kullanılmaktadır. Bu şebekeler genellikle belediyelerce işletilmektedir. Bu şebekenin kapsam alanı dahilindeki birçok küçük ve orta ölçekli sanayi kuruluşu da gazını bu şebekeden almaktadır. Bu şebekelerin gaz tüketimi esas olarak evsel gaz tüketimi profilindedir. Organize sanayi bölgelerinde yer alan büyük, orta ve küçük sanayi tesisleri ise Organize Sanayi Bölgesince kurulan ve işletilen şebekelerden gaz almaktadır. Doğal gaz arzının bulunduğu bölgelerde birçok organize sanayi kuruluşu bu şekilde gaz dağıtım şebekelerini kurmuş ve çalıştırmaktadır. Bunlara örnek olarak,çerkezköy, Bursa, İnegöl, Eskişehir ve Ankara da çeşitli Organize Sanayi Bölgeleri gösterilebilir.aynca önümüzdeki yıllarda gaz alması planlanan Ege Bölgesi Organize Sanayi bölgelerinden İzmir-Atatürk, İzmir-Aliağa ve Manisa Organize Sanayi Bölgelerinin tasarım çalışmalan devam etmektedir. Bütün bu şebekelerin kurulma aşamasında bilinçli ve dikkatli bir tasarım çalışması gerekecektir. Bu tasarım çalışmalan yaklaşık 25 yıl ekonomik ömür biçilen ve pratikte daha çok uzun süreler hizmet verecek bir sistemde artan ve değişen tüketici taleplerini karşılama durumundadır. Diğer taraftan, proje başlangıcında uzun vadeli talep öngörüleri yapmak ta, baştan sistemi gereğinden büyük tasarımlıyarak kaynak israfına yol açmaktadır. 105

5 1 KENTSEL VE SANAYİ CAİ DAĞITIM SİSTEMLERİ Gaz dağıtım sistemleri, sistemdeki gaz basıncı düzeyine göre ; Yüksek basınç :.7 bar ve üstü, Orta basınç. 70 mb-7 bar, Düşük basınç : 70 mb ve altı, olmak üzere 3'e ayrılır. Bu sistemlerin hesaplamalarında kullanılan gaz akış formülleri, sistemlerde kullanılan boru vana, regülatör vb. malzeme ve bu sistemlerin işletme, bakım ve onarımı birbirlerinden farklılık gösterir [2]. Yüksek basınçlı sistemlerden düşük basınçlı sistemlere doğru gittikçe, taşınan gaz artacağından daha büyük çapta borulara ihtiyaç duyulacaktır. Yüksek basınçlı sistemlerde daha ufak çaplı borular kullanılacak ancak, sistem emniyetini sağlamak için farklı sınıfta malzeme kullanmayı gerektirecektir. Düşük basınçlı sistemler gaz kaçağı ve emniyeti açısından tercih edilebilir. Genel olarak yüksek basınçlı sistemler, ulusal gaz taşınım ve dağıtım şebekesi ile bazı büyük kentlerin etrafında bulunan vebölgesel regülatörlere gaz dağıtan şebekelerde kullanılmaktadır. Bu sistemlerdeki şebekede çelik malzeme kullanılır. Orta basınçlı sistemlerde şebeke gaz basıncı bir regülatör vasıtası ile 7 bar veya altına düşürülür. Organize Sanayi Bölgeleri dağıtım şebekeleri ile bazı kentlerde (İstanbul, Bursa) dağıtım şebekeleri orta basınçlı sistemlerdir.bu sistemlerde çelik malzeme yerine veya birlikte polietilen esaslı borular kullanılabilir. Şekil l'de örnek bir kentsel gaz dağıtım şebekesi, Şekil 2'de ise örnek bir sanayi bölgesi dağıtım şebekesi verilmiştir. 4. DOĞAL GAZ DAĞITIM SİSTEMLERİ TASARIM YÖNTEMİ Bir gaz dağıtım şebekesinin tasarımı için önerilen yöntem aşağıda verilmiştir. i. Öncelikle bölgeye gaz verilmesi ve dağıtım şebekesi izinleriyle ilgili yasal yöntem, uygulanır. ii. Dağıtım yapılacak bölgenin genel gaz tüketim ihtiyacı belirlenir. Taleplerin tipi (evsel, sanayi, ticari, işletme, vb.) belirlenerek buna göre bir ayrım yapılır. Bu çalışmada doğrudan tüketiciye yönelik bir anket çalışması gereklidir. Buradan toplanacak bilgilerin yalnız o andaki durumu değil, orta ve mümkünse uzun vadede tüketim gelişimi profillerini de göz önüne alacak biçimde olmalıdır. Henüz gelişmekte olan bölgelerde, gelişme süreci ve ileriye dönük tahmini tüketim profilleri göz önüne alınmalıdır. 106

6 MİDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY GasNet v3.0 Network Simulation Scheme M GÜRSOY GORÜKLE KESTEL Şekil 1. Kentsel Doğal Gaz Dağıtım Şebekesi

7 h I! İ/7 451 <,.' 1 / * I * / , ir*' j 2069! T.M., 4» Vv'"»-. Şekil 2. Sanayi Bölgesi Doğal Gaz Dağıtım Şebekesi

8 iii. Dağıtım şebekesinin kurulacağı bölge ile ilgili bir topografik çalışma olmalıdır. Bu kentsel bir plan veya kurulmakta olan bir organize sanayi bölgesi için bir yerleşim haritası olabilir. Bu harita üzerinde, yollar,altyapı,vetüketici alım noktaları ile gaz arz noktaları işaretlenmiş olmalıdır. Yeterli büyüklükte bir harita paftası veya bilgisayar ortamında bir plan veya harita üzerinde, tüketim noktalarını birbirine ve yerel arz noktalarına bağlıyan bir şebeke taslağı belirlenerek, noktaların birbirlerine uzaklıkları ve rakımları ölçülür. Rakım farklılıkları özellikle düşük basınçlı sistemlerde sistem tasarımında etkili olur. Hatların yol, otoyol, dere, altyapı elemanı geçişleri, regülatörlerin konumları dikkate alınır. iv. Şebeke büyüklüğüne uygun, gaz şebekesi tasarımı yapabilecek bir bilgisayar yazılımına, noktasal tüketimler, şebeke ağ bilgileri, (boru uzunlukları, tüketim noktaları rakımı, vb.) girilir. Burada ayrıca gaz kompozisyonu, ortalama veya kritik şartlardaki mikrometeorolojik bilgiler ve şebeke giriş noktasındaki en düşük basınç bilgisine ihtiyaç vardır. v. Eğer bilgisayar programında tasarım kriterlerine yönelik bir opsiyon varsa [3, 4], bu kriterlere karar verilir. Bu kriterler borularda müsaade edilecek en yüksek gaz hızı ve/veya şebekenin herhangi bir noktasında kabul edilebilecek en düşük basınç olabilir. Bu kriterler bir sonraki bölümde tartışılmaktadır. Bu kriterler vasıtası ile tasarım programı boru çapları ile ilgili bir öngörü yapar [5]. Bu öngörüyü yaparken kullanılmak üzere piyasada bulunan ve kullanımı tercih edilen boru çaplarının listesi ve hatta tasarım sonu şebeke boru maliyetini belirlemek üzere fiyatları programa girilir. Eğer bilgisayar programında böyle bir opsiyon yoksa, yani program bir tasarım programı değil, bir analiz programıysa, tek tek bütün şebeke boru çaplan tahmin edilerek iteratif bir şekilde öngörülecek kriterleri sağlayacak çapların belirlenmesine çalışılır. vi. Tasarım programının çıktısı, her bağlantı için boru listesi ve tasarım kriterleri kullanılarak tasarım programınca hesaplanan boru çaplarıdır. Bu çaplar şebeke için en iyi çözümü vermeyebilir. Özellikle büyük sistemlerde bir çok tasarım alternatifi olduğu için, bu tasarım sonuçları gözden geçirilerek analiz programı ile sistemin hidrolik analizi yapılır. Burada şebekedeki noktasal basınç değerleri ve boru içi gaz hızları belirlenir. Bu değerler tasarımcı tarafından değerlendirilerek, bir taraftan sistemin kritik durumlara düşmemesi, diğer taraftan ise atıl kalmaması ve dengeli bir gaz dağılımı sağlanmasına yönelik değişiklikler öngörülür. vii. Bu öngörüler kullanılarak, iteratif bir optimizasyona gidilir. Yani hızlan belli bir düzeye çekerek, sistemdeki debi dengesini, boruların yüksek kullanım faktörü ile çalışmasını sağlıyacak, basınç düşümlerini de göz önüne alacak iteratif bir optimizasyona gidilir. Bunun için çap ayarlamaları, besleme noktası değişiklikleri, hat ilave veya çıkarımları yapılabilir. İterasyonlar istenilen tasanm kriterleri ' tutturulana'kadar devam eder. viii. Analizler sonucu aynı zamanda sistemi beleyen regülatörlerin kapasitelerine, yerlerine ve sayılarına karar verilir. Bunların kapasitelerinin ve sayılannın en ekonomik kombinasyonu verecek ve aynı zamanda sistemi en gerekli noktalardan besliyerek, en sorunsuz işletmeyi sağlıyacak şekilde ayarlanması sağlanır. Regülatör optimizasyonu, şebeke optimizasyonu ile birlikte yapılır. ix. Tasarım ve analiz sonucu elde edilen hidrolik değerler, öngörülen çekişler için ve bütün sistemin hatasız çalışma durumu için belirlenmiştir. Sistemde olası hata durumlarında (regülatörlerden birinin devreden çıkması, bir hatta kaçak veya bakım çalışması, vb.), sistemin tamamını veya bir kısmını kurtaracak tedbirler baştan 109

9 ft fifâfi fö ttaenmlamiıi9 bir gotjoko Mylo Mr dununda, problem olan bölge veya noktayı bir başka yönden besliyerek yardımcı olmaktadır. Bu durumları öngörecek tasarımlarda olası hata durumları için senaryolar geliştirilir. Sistem bu senaryolarla analiz edilir. Sistemi kurtaracak anaarterler belirlenir ve bu hatların çapları büyütülerek kapasiteleri arttırılır. Gerektiğinde ek hatlar, ağ halkaları kurulur, regülatörlerin yerleri ve sayıları değiştirilebilir. x. Özellikle yüksek basınçlı sistemlerde, boru dayanımı için, "Barlovv ilişkisi" ve sistemin konumu ve tipine göre tanımlanan bir tasarım faktörü kullanılarak boru malzemesi ve et kalınlığı belirlenir. xi. Hidrolik tasarımı yapılan ve optimize edilen sistem harita üzerine işlenerek detay tasarıma hazırlanır. Detay tasarım da yapıldıktan sonra onaya sunulur. xii. Büyük dağıtım sistemlerinin tasarımında, kullanılan bilgisayar yazılımlarının kapasitesi bazen yeterli olmayabilir. Bu kapasiteyi ayarlamanın mümkün olmadığı yazılımlarda şebeke bir takım alt ağ guruplarına ayrılabilir. Burada az sayıda tüketim noktası birleştirilerek tek bir nokta olarak gösterilebilir. Ancak bu durumda tasarım sonunda, yapılan bu basitleştirmeler tekrar ele alınmalı ve kendi içinde analiz yapılarak hidrolik açıdan kontrol edilmelidir. 5. DOĞAL GAZ DAĞITIM SİSTEMLERİ TASARIM KRİTERLERİ Bir dağıtım şebekesinde, uygulanacak tasarım kriterlerinden en öncelikli olarak karar verilecek olanı müşteri tüketim miktarlandır. Burada bütün müşteriler için en yüksek tüketim düzeyi alınırsa, şebeke kapasitesi (boru çapları, regülatör sayı ve kapasiteleri) çok büyüyebilir. Bu da sistemin ortalama değerlerle çalışma durumunda büyük bir atıl kapasiteye yol açar. Böyle bir sistemin maaliyetli yüksek olur. Burada tasarımcı ve şebeke sahibi ortak çalışarak anket sonuçları üzerinde istatistiki bir veri analizi yaparlar. Bu çalışma sonucu tüketim değerleri "en olası yüksek çekiş değerinde" belirlenir. Tasarımcının ikinci olarak karar vereceği nokta, şebekenin formudur. Büyük dağıtım şebekelerinde özellikle ağ formu tercih edilmelidir. Az çekiş noktalı ara dağıtım şebekelerinde (ana regülatörle bölgesel regülatörler arası orta veya yüksek basınçlı şebekeler ) ağaç formu kullanılabilir. Tasarım kriteri olarak tasarımcı tarafından karar verilecek bir diğer faktör de sistemde oluşacak en düşük basınç düzeyi ve en yüksek gaz hızıdır. Bu basınç, örneğin 4 bar regülatör çıkışlı bir şebeke için 2.5 bar, gaz hızı da 25 m/s olarak alınabilir. Bu hususta literatürde ve ulusal gaz şirketince önerilen tavsiyeleri göz önünde bulundurmak gerekir. Tasarım için çelik veya polietilen boruya karar verdikten sonra fiyatları ile birlikte tavsiye edilen boru çaplarının bir listesi tasarım programına girilir. Kullanılacak borular bu listeden seçilecektir. 6. SONUÇ Kentsel yerleşim ve sanayi bölgeleri gaz dağıtım şebekelerinin tasarımında özellikle ağ tipi çözümlere gidilmesi önerilmektedir. Bu şebekelerin hidrolik analiz ve tasarımında bilgisayar yazılımları yardımı gereklidir. Yapılacak tasarımda öncelikle güvenilir bir tüketim bilgisine, ve bunun gelişim profiline ihtiyaç vardır. Bu bilgi ve tüketim noktalarının topografik bilgisiyle, öngörülen boru çapları listesi de kullanılarak bir ön tasarım yapılır. Bu 110

10 ön tasarım daha sonra çok parametreli bir iterasyon yapılarak, uzun bir analiz sonucunda geliştirilir ve tasarımın son hali elde edilir. Tasarım yapılan şebekelerde, değişik işletme senaryoları ve şebeke hata ve tamir senaryolarını inceleyerek bu durumları da göz önüne alacak tasarım yapmak, şebekenin işletmesi sırasında olası bir çok problemi ortadan kaldıracaktır. Ancak tasarımın emniyetli olması için çekiş tahminlerinin yüksek tutulması, büyük boru ve regülatörlere ve dolayısı ile sistem normal şartlarda çalışırken büyük bir atıl kapasiteye yol açar. Bu durum da şebeke maliyetini aşın yükseltir. Tasarım yapılırken sistemin işlerliği ve emniyeti yanında ekonomik faktörleri de sürekli göz önünde bulundurmak gerekir. 6. KAYNAKÇA 1. Natural Gas Usage Study for Turkey, Vol II,III, Report, British Gas. 2. O. Cahit Eralp, "Pipeline Engineering",Ders Notlan, ODTÜ, Makina Müh. Bölümü, GASNET v.2.0 a for Windows, Design and Analysis of Natural Gas Distribution Systems, User Manual, ODTÜ, Ankara, Öner, D., "Optimization of Natural Gas Distribution Netvvorks, Yüksek Lisans tezi, Makina Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ünlüsoy, Y. S. Ve Eralp, O. C, "Doğal Gaz Dağıtım Ağlarının Tasanm Optimizasyonu", Doğalgaz & Enerji Yönetimi Kongre ve Sergisi, TMMOB Makina Mühendisleri Odası Gaziantep Şubesi, Gaziantep, Eylül