Termik Sanralların Konrol Sisemlerinde Teknolojik Gelişmeler ve Verimlilik Technologic Developmens on Conrol Sysems of Thermal Power Plans and Efficiency Hasan TİRYAKİ 1, Mehme BULUT 2, İlhan KOCAARSLAN 3, M. Cengiz TAPLAMACOĞLU 4 1,2 Elekrik Üreim Anonim Şirkei, APK Daire Başkanlığı, Araşırma-Gelişirme Müdürlüğü İnönü Bulvarı No:27, 06490, Bahçelievler / Ankara-Türkiye hasan.iryaki@euas.gov.r, mehme.bulu@euas.gov.r 3 Kırıkkale Üniversiesi, Elekrik-Elekronik Mühendisliği Bölümü, Kırıkkale-Türkiye ikocaarslan@kku.edu.r 4 Gazi Üniversiesi, Elekrik-Elekronik Mühendisliği Bölümü, Ankara-Türkiye aplam@gazi.edu.r Öze Günümüzde, birçok model için klasik konrol yönemlerinin yerine modern konrol yönemleri praik veya eorik olarak uygulanmakadır. Bu çalışmada, Ankara-Çayırhan Termik Sanralının birinci ve ikinci ünielerini kapsayan bir modelin (300 MW) güç ve enalpi çıkışlarını konrol emek için bulanık manık abanlı bir konrol ekniği kullanılmışır. Karşılaşırma için, klasik bir oransal-inegral (P) konrolör, klasik bir oransal-inegral-ürev (PD) konrolör ve bir bulanık manık- P (FGP) konrolör elekrik sanralı modeline uygulanmışır. Simulasyon sonuçları, bu çalışmada gelişirilen FGP konrolörün bu modele ai güç ve enalpi çıkışlarının ourma zamanı ve aşma değeri üzerinde diğer konrolörlerden daha iyi performans sergilediğini gösermişir. Absrac Nowadays, insead of convenional conrol echniques, modern conrol echniques have been implemened for a lo of indusrial models pracically or heoreically. n his sudy, a fuzzy logic-based conrol echnique o regulae he power and enhalpy oupus in a model (300MW) conain firs and second unis of Ankara-Çayırhan Thermic Power Plan was carried ou. For comparison, a convenional proporionalinegral (P) conroller, a convenional proporional-inegralderivaive (PD) conroller and a fuzzy gain scheduled proporional-inegral (FGP) conroller have been applied o he power plan model. The simulaion resuls show ha he FGP conroller developed in his sudy performs beer han he res conrollers on he seling ime and overshoo of power and enhalpy oupus of his model. 1. Giriş Elekrik enerjisi üreimi, son yıllarda aran ihiyaç ve çevre bilinci ile birlike daha da önem kazanmışır. Dünyamızda halen enerji üreiminin oldukça büyük bir kısmı fosil yakı abanlı ermik elekrik sanrallardan sağlanmakadır. Ancak bu sanral iplerinde elekrik üreiminin yanı sıra kömür yanması sonucu çevreye zarar verebilecek gazlar da meydana gelmekedir. Bu durumun ana sebeplerinden biri ermik elekrik sanrallerinde üreim boyunca siseme ai paramerelerin değişmesidir. Bunun en basi gösergesi senelerce üreim yapan bir ermik elekrik sanralının kazan ve ısııcı boru yüzeylerinin kömür yanması sonucu oluşan kurumla kirlenmesidir. Bunun sonucu olarak sanralın veriminin düşmesine paralel olarak üreilen enerjinin de kaliesi düşmeke ve kirlenmeden dolayı çevreye saçılan zehirli gaz mikarı armakadır.[1] Yukarıda bahsedilen sebeplere ek olarak; ükeicilerin doğal beklenileri, elekriğin depo edilememesi ve bu nedenle ihiyaca bağlı üreim yapılması gerekliliği ve ayrıca elekrik sanrallarının giderek büyüyen ve karmaşıklaşan yapısı gibi nedenlerle elekrik sanrallarının konrolünün de önemi armışır. Bu durum ise; gelişmiş konrol sisemlerinin bu sanrallarda kullanımını zorunlu kılmışır.[2] Sanrallarda ısı çevrimi sürekli olarak konrol alında bulundurulmalıdır. Tüm ölçü ve konrol sisemleri ile ölçü alelerinin doğru çalışması, doğru değer gösermeleri, oomasyon sisemlerinin sağlıklı çalışması sanral verimi için hayai önem aşıdığı gibi sanralın emniyeini de güvenli kılar. Çevrimdeki buhar ve su kayıpları en kısa sürede giderilmeli, kazan ve buhar ürbini nominal yüklerde çalışırılarak sıcaklık, basınç, debi, seviye ve diğer ölçümler ile yüzde oranları mümkün olduğu kadar ünienin verim eslerinin yapıldığı işleme şarlarına çok yakın uulmalıdır. Tüm bunların yapılabilmesi için sanral işleme sahasında ve konrolkumanda panolarındaki ekipmanların iyileşirilmesinin yanı sıra sanralın konrolünü sağlayan konrol sisemlerinde de modern konrol yönemlerinin ercih edilmesi gereklidir. Bilindiği gibi ermik sanrallarda verimi ekileyen en önemli unsurlardan birisi de bakım ve revizyonlar konusudur. Bir sanralda modern konrol yönemlerinden herhangi biri uygulandığı akdirde, sanral nominal işleme şarlarında uulacağı ve sisemi oluşuran ekipmanlar zorlanmadan çalışırılacağı için bakım ve revizyon maliyeleri ve süreleri azalacak ve dolayısıyla konrol sisemlerindeki iyileşirmelerin verim üzerindeki ekileri de ne olarak izlenebilecekir. Sanral dinamiği, kazanın kirlenmesi, ani yük ihiyaç değişimleri, yakı kaliesindeki düşüşler gibi bir çok nedenden
dolayı her an değişime uğrayabilir. P ve PD gibi klasik konrol yönemleri bu değişimlere hızlı bir şekilde karşılık verememekedir. Bu soruna çözüm olarak, kazancının (paramerelerinin) bulanık manık ile programlandığı P konrolörler gelişirilmişir. Bu konrolörler, belli başlı bazı ablolara göre P kazançlarını değişirmekedir[3]. Bu çalışmada anlaılan yönem, örnek bir çalışma yapabilmek amacıyla bir dokora ezindeki verilerden yola çıkılarak elde edilen modele uygulanacakır. Söz konusu ez çalışmasında Ankara-Çayırhan Termik Sanralının birinci ve ikinci ünielerini kapsayan bir modeli çıkarılmış ve bu model üzerinde klasik ve modern konrol yönemleri karşılaşırılmışır. Modelin girişleri yakı ve besleme suyu, çıkışları ise elekriksel güç ve enalpi olarak seçilmişir. Bu çalışmada yapılan simulasyonları bir adım daha ileri göürmek amacıyla ezde kullanılan FLC konrolörlerin yerine daha üs seviye bir konrol yönemi olan Bulanık Manık-P Konrol (FGP-Fuzzy Gain Scheduled P Conrol) yönemi kullanılmışır. Karşılaşırma yapabilmek için ise klasik konrolörlerden P ve PD konrolörler de kullanılmışır. 2. Termik Elekrik Sanralı Güç sanrallarının dinamik davranışı ağırlıklı olarak; giriş ve çıkış bozulmalarına, se nokalarındaki değişimlere bağlıdır. Bu durum özellikle büyük kömür yakılı güç sanrallerinde görülmekedir. Sanralden, çok büyük oranlı ve ani yük değişimlerinde, devreye girip çıkmalarda, hızlı işleme şarlarına ayak uydurması isenir. Konrol mühendisliği açısından, zamanla değişen ve lineer olmayan çok değişkenli prosesi emsil eden bir sanralin veya çok giriş/çıkışlı (MMO, Muli npu Muli Oupu) bir sisemin konrolü oldukça zordur. Bir ermik elekrik sanralında ana giriş değişkenleri; yakı, besleme suyu, püskürme suyu ve havadır. Ana çıkış değişkenleri ise; elekriksel güç, buhar enalpisi (evaparaör çıkışındaki buharın sıcaklık ve basınç fonksiyonu) ve yanma gazıdır (Şekil 2.l). 620 MW elekrik enerjisi üreen Türkiye nin önemli elekrik sanrallarından birisi olmuşur. Güç sanralı; kazan, gaz ürbini, buhar ürbini ve jeneraörden oluşur. Kazan sıkı bir şekilde birbiriyle bağınılı çok değişkenli bir sisemle modellenebilir. Bu, kazanı konrol mühendisliği açısından oldukça ilginç kılar. Kazanda, kimyasal enerji ermal enerjiye (buhar) dönüşürülür. Bir kazanın dinamik davranışı ağırlıklı olarak aşağıdaki gibi birçok farklı işleme koşuluna bağlıdır; Yakıın kalorifik değeri ve kaliesinin değişmesi, enalpinin ve canlı buhar basıncının değişmesine sebep olur, dolayısıyla jeneraördeki güç de değişir, Yakı besleyicilerinin verimi zamanla azalır, sıma yüzeyleri, brülörler ve besleyicilerdeki kuruma, sisem dinamiğinde değişimlere neden olur, Se değerlerindeki ve yükeki değişimler, çalışma nokasında bozulmalara neden olur, İklimsel değişikliklerden dolayı, kombine güç isasyon bloğunda yer alan gaz ürbininin çıkış sıcaklığındaki değişimler kazan dinamiğini oldukça ekileyebilir. Verimli bir konrol dizaynı için, sisemin dinamik ve saik özellikleri çok iyi bilinmelidir. Diğer bir arafan, bu şekilde bir çok giriş ve çıkışlı bir kompleks sisemi ele almak oldukça güç ve karmaşıkır. Bu yüzden, Şekil 2.2'de görüldüğü gibi model dizaynında en önemli giriş ve çıkış değişkenleri kullanılır. İsenen proses davranışını anımlamak üzere incelenen güç sanrali için iki girişli ve iki çıkışlı değişkenler yeerlidir.[5] Şekil 2.1: Çok değişkenli dinamik bir güç sanral sisemi Bu çalışmada referans alınan Ankara-Çayırhan Termik Sanralı, Türkiye Kömür İşlemeleri nin Ora Anadolu Linyileri İşlemesi alında bulunan ve rezervi 380.000.000 on olarak hesaplanan ve yıllık 4,3 milyon kömür üreim kapasiesine sahip sahada, al ısıl değeri 2800 kcal/kg olan linyilerin değerlendirilmesi amacı ile 150 MW lık iki ünie halinde kurulmuşur.[4] 1978 yılında inşaaı amamlanan Çayırhan Termik Sanralı, zaman içerisinde çeşili genişlemeler ve ek binalar ile bugünkü halini almışır. Bugün sanral 4 ünieden oluşmakadır. 1 ve 2 nci ünieler 150 MW, 3 ve 4 ncü ünieler ise 160 MW kurulu güce sahipir. Toplam Şekil 2.2: Şemaik diyagram, (a) Güç sanralı ve (b) Maemaiksel modeli Şekil 2.2' de görüldüğü gibi, yakı beslemesi ve besleme suyu akışı giriş değişkenleri olarak seçilmişir. Çıkış değişkenleri ise elekriksel güç ve enalpidir.
İki giriş ve iki çıkış değişkenine sahip olan bir proses şemaik olarak Şekil 2.3'deki gibi göserilebilir. Veya, Y1 ( z) G11 ( z) G12 ( z) U1( z) Y2 ( z) = G21( z) G22 ( z) U 2( z) (2.1) şeklinde marissel olarak ifade edilebilir. Buradaki bağımsız ransfer fonksiyonlarını oplayan 2x2 boyulu G marisi, ransfer fonksiyon marisi olarak bilinir. Bu çalışmada kullanılan sanral modeli z domeninde incelenmiş olup gerekli blok diyagramı Şekil 2.3'de göserilmişir; 1 de( ) m( ) = e( ) + e( ). d TD T + d 0 K T = ve. TD = K alınırsa ifade şu şekli alır; D m( ) = K. e( ) + K. e( ). d + K P D 0 de( ) d (3.5) (3.6) Bu çalışmada kullanılan PD konrolörlerin paramerelerini belirlemek için Sisemin Cevap Eğrisi yönemi[7] kullanılmış ve bulunan değerler opimize edilerek siseme uygulanmışır. Buna göre K P, K ve K D değerleri aşağıdaki gibidir; = 0.005953, K = 0.0012409, KD = 8.01675 (3.7) (Güç çıkışı için) = 0.00976, K = 0.0001744, KD = 1.26976 (3.8) (Enalpi çıkışı için) Şekil 2.3: Kullanılan sanral modelinin blok diyagramı 3. Konrol Yönemleri Tüm konrol sisemlerinin amacı, verilen zaman aralıklarında sisemin belirli durum ve değişkenlerini akip ederek sisemi isenilen duruma geirmek için anımlanmış konrol krierlerini gerçekleşirmekir. Bir sisem, belirli bir görevin yerine geirilmesi için bir araya gelmiş çalışma ünielerinden oluşmakadır. Konrol siseminde girişler ve çıkışlar bulunur. Girişler konrolörde işlenerek konrol edilen siseme gerekli çıkış sağlanmakadır. Bu çıkış, sisemi kumanda emek için kullanılan bir konrol sinyalidir.[6] 3.1. P Konrolör Genel olarak bir P konrolöre ai ransfer fonksiyonu aşağıdaki gibi göserilir; 1 m( ) = e( ) + e( ). d (3.1) T 0 K T = alınırsa ifade şu şekli alır; m( ) =. e( ) + K. e( ). d 0 (3.2) Bu çalışmada kullanılan P konrolörlerin paramerelerini belirlemek için Sisemin Cevap Eğrisi yönemi[7] kullanılmış ve bulunan değerler opimize edilerek siseme uygulanmışır. Buna göre K P ve K değerleri aşağıdaki gibidir; = 0.1143, K = 0.00109 (3.3) (Güç çıkışı için) = 0.3116, K = 0.0003173 (3.4) (Enalpi çıkışı için) 3.3. Kazancın Bulanık Manık Kuralları ile Programlandığı P Konrolör'ün (FGP) Tasarımı Sisemin bulanık manık P (FGP) konrolörlerle konrolünü sağlamak üzere her bir modelde güç ve enalpi çıkışları için ayrı ayrı iki bulanık manık konrolör kullanılmışır. Kullanılan FGP konrolörlerin her birinin giriş ve çıkış değişkenleri, 7 üyelik fonksiyonu kullanılarak oluşurulmuşur. Bu üyelik fonksiyonlarının isimleri sırasıyla; (Negaif Büyük), NO (Negaif Ora), NK (Negaif Küçük), S (Sıfır), PK (Poziif Küçük), PO (Poziif Ora), PB (Poziif Büyük) şeklindedir. Bu üyelik fonksiyonlarından ve PB konrol aralığının uç değerleri olduğundan rapmf (rapezoid membership funcion-yamuk üyelik fonksiyonu) olarak, diğerleri ise konrol aralığının daha hassas olması amacıyla rimf (riangle membership funcion-üçgen üyelik fonksiyonu) olarak seçilmişir.[8] P konrolörün kazancının programlanması için gerekli bulanık manık kuralları, sisemin adım cevabına dayanılarak elde edilir. Şekil 3.1'de bulanık kazanç programlayıcılı bir P konrol sisemi görülmekedir;[9] Şekil 3.1: Bulanık Kazanç Programlama Şeması 3.3.1. Giriş Değişkenlerinin Aralıklarının Belirlenmesi Kullanılan giriş değişkenlerinin aralıkları Şekil 3.2 de göserilmişir; e 1 3.2. PD Konrolör Genel olarak bir PD konrolöre ai ransfer fonksiyonu aşağıdaki gibi göserilir; -164-110 -54.99 0 54.99 110 164
-0.001 de 1-0.00068-0.00034 0 0.00034 0.00068 0.001 (a) e 2 Tablo 3.2: Güç ve Enalpi çıkışları için K paramerelerinin kuralları de e PB PB PB PB PB PO PO NO PO PO PO PO PO PK PK NK PK PK PK PK PK S S S S S S S S NK NK PK NK NK NK NK NK NO NO PO NO NO NO NO NO NO PB 3.3.3. Bulanık Çıkış Değerlerinin Durulaşırılması -1717-1144 -571.9 0 571.9 1144 1717 de 2 Kullanılan çıkış değişkenlerinin aralıkları Şekil 3.5 de göserilmişir; K P -0.001-0.00068-0.00034 0 0.00034 0.00068 0.001 1.1427e-2 1.1428e-2 1.1429e-2 1.1430e-2 1.1431e-2 1.1432e-2 1.1433e-2 (b) Şekil 3.2: Kullanılan giriş değişkenlerinin aralıkları (a) Güç çıkışı, (b) Enalpi çıkışı K Burada e 1, sisemin güç kısmına ilişkin haa değerini emsil emekedir. de 1, bu haanın ürevidir. Benzer şekilde e 2, sisemin enalpi kısmına ilişkin haa değerini emsil emekedir. de 2, bu haanın ürevidir. 3.3.2. Bulanık Kuralların Çıkarımı K P ve K kazançlarının belirlenmesi için oluşurulan kurallar, Tablo 3.1 ve Tablo 3.2 de belirilmişir; Tablo 3.1: Güç ve Enalpi çıkışları için K P paramerelerinin kuralları de e NO NO NO NO NO NO NO NK NK NK NK NK NK NK S S S S S S S S PK PK PK PK PK PK PK PK PO PO PO PO PO PO PO PO PO PB PB PB PB PB PB PB PB PB 7.9e-4 3.113e-3 8.9e-4 9.9e-4 1e-3 1.19e-3 1.29e-3 1.39e-3 (a) K P 3.114e-3 3.115e-3 3.116e-3 3.117e-3 3.118e-3 3.119e-3 K 2.873e-4 2.973e-4 3.073e-4 3.1e-4 3.273e-4 3.373e-4 3.473e-4 (b) Şekil 3.3: Kullanılan çıkış değişkenlerinin aralıkları (a) Güç çıkışı, (b) Enalpi çıkışı
4. Tarışma ve Sonuç Tasarımı yapılan konrolörlerin siseme uygulanabilmesi için Şekil 4.1 de görülen blok diyagram kullanılmışır. Simulasyon aşamasında buradaki konrolörlerin yerine sırasıyla P konrolörler, PD konrolörler ve bulanık manık-p konrolörler (FGP) kullanılmışır. Tüm simulasyonlar, MATLAB 7.1-Simulink[10] yazılımı ile yapılmışır. Şekil 4.1: Modeli alınan sisemin konrol blok diyagramı Simulasyon aşamasında, her iki çıkış için de isenen değer olarak; genliği 0.1 MW, periyodu 10000 sn olan kare dalga kullanılmışır. Daha nesnel bir değerlendirme yapabilmek amacıyla da Şekil 4.2 ve Şekil 4.3 de sırasıyla güç çıkışının %5 lik band için yakınlaşırılmış hali ve enalpi çıkışının %5 lik band için yakınlaşırılmış hali her üç konrolör için elde edilen çıkışlar üs üse bindirilerek göserilmişir; MW kj / kg -0.09 SET -0.095-0.1-0.105-0.11 Şekil 4.2: Güç çıkışının %5 lik band için yakınlaşırılmış hali -0.085-0.09-0.095-0.1-0.105-0.11-0.115-0.12 SET Zoomed Power Oupu (For 5% Band) -0.115 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 (sec) Zoomed Enhalpy Oupu (For 5% Band) FGP PD P 5% Band 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 (sec) Şekil 4.3: Enalpi çıkışının %5 lik band için yakınlaşırılmış hali Sonuçların ümünü bir arada görebilmek amacıyla elde edilen değerler Tablo 4.1 de göserilmişir; P FGP PD 5% Band Tablo 4.1: Simulasyon sonuçlarının karşılaşırılması Güç çıkışı Enalpi çıkışı P PD FGP P PD FGP Ourma zamanı (sn) 2139 4950 1750 2284 2268 1324 Aşma değeri (%) 1.7 4.3 1.3 14.2 10 4.6 Sonuçlar ve abloda görülen değerler, FGP konrolörün üm koşullar alında diğer konrolörlere nazaran çok daha iyi sonuçlar verdiğini gösermekedir. Ankara-Çayırhan Termik Sanralı nın modeli üzerinde yapılan bu çalışmanın ülkemizde diğer ermik elekrik sanrallarında yapılması ve bu eorik çalışmaların praiğe dönüşürülmesi durumunda ermik sanrallarımızın ve bunlara ai ekipmanların mümkün olan en az seviyede aşınma göserip mümkün olan en yüksek performans ile uzun yıllar çalışabileceği düşünülmekedir. Bu ve bunun gibi çalışmalar ülkemize büyük kazançlar sağlayabilir ve bu sebeple bu paralellikeki eorik veya praik çalışmaların arırılmasında fayda vardır. Yine bu ür sisemlerin konrolü için FGP konrolün bir üs seviyesi olan FGPD konrolörler veya ANFS (adapif neurofuzzy inference sysems) konrolörler ileride çalışılmak üzere düşünülmekedir. 5. Kaynaklar [1] Kocaarslan İ., Çam E., Tiryaki H., Akbıyık B., Bir Termik Elekrik Sanralinde Konrol Yöneminin Üreime Olan Ekilerinin Karşılaşırılması, Uluslararası 9. Yanma Sempozyumu, Kırıkkale Üniversiesi, 16-17 Kasım 2006, 402-414. [2] Kocaarslan İ., Çam E., Eke İ., Tiryaki H., Bir Hidroelekrik Sanralde Bulanık Manık Konrolör Uygulaması, TOK 05 Oomaik Konrol Ulusal Toplanısı, İsanbul, 2-3 Haziran 2005, 563-568. [3] Kocaarslan İ., Çam E., Tiryaki H., A Fuzzy Logic Conroller Applicaion For A Thermal Power Plans, Energy Conversion and Managemen, 47(4), 442-458, 2006. [4] Yeğin E. M., Bir Termik Sanralin Modelinin Oluşurulması ve Bu Model Üzerinde Klasik PD ve Fuzzy Konrol Yönemlerinin Karşılaşırılması, Kocaeli Üniversiesi F. B. E. Dokora Tezi, Kocaeli, 1999. [5] Kocaarslan İ., Einsaz Adapiver Regelkonzepe in Einem Dampfkrafwerk, Dokora Tezi, Bochum, Almanya, 1991. [6] Kocaarslan İ., Çam E., Tiryaki H., An nvesigaion of Cleanness in Boilers of Thermal Power Plans wih Fuzzy Logic Conroller, 2nd nernaional Conference on TPE, Tabriz-ran, 6-8 Sepember 2004, 668-672. [7] Yüksel İ., Oomaik Konrol Sisem Dinamiği ve Deneim Sisemleri, Birsen Yayınevi, Bursa, 1997. [8] Tiryaki H., Bulanık Manık Konrolörler ile PD Konrolörün Bir Elekriksel Termik Sanralde Karşılaşırılması, Kırıkkale Üniversiesi F. B. E. Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale, Ocak 2005. [9] Demirören A., Yeşil E., Auomaic Generaion Conrol wih Fuzzy Logic Conrollers in he Power Sysem ncluding SMES Unis, Elecrical Power and Energy Sysems, 26, 291, 2004. [10] Malab 7.1, Reference Manual, 2007.