BİR SOĞUTMA SUYU DEŞARJINDA KÖPÜKLENME PROBLEMİNİN FİZİKSEL OLARAK MODELLENMESİ

7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu - 377 - BİR SOĞUTMA SUYU DEŞARJINDA KÖPÜKLENME PROBLEMİNİN FİZİKSEL OLARAK MODELLENMESİ Taylan Bağcı, V. Ş. Özgür Kırca, Şevket Çokgör, M.Sedat Kabdaşlı İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi E-mail: bagcit@itu.edu.tr, kircave@itu.edu.tr, cokgor@itu.edu.tr, kabdaslis@itu.edu.tr Tel: +90 212 2853715 Özet Bu çalışmada, İskenderun Körfezi nde bulunana bir termik santralin soğutma suyu deşarjında görülen köpüklenme problemi ele alınmıştır. Bu kapsamda, deşarj sisteminin fiziksel bir modeli İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Hidrolik Laboratuarı nda kurulmuştur ve köpüklenme problemi ortaya konulmuştur. Buna ek olarak, köpüklenme probleminin ortadan kaldırılmansa yönelik çeşitli yapısal düzenlemeler denenmiştir. Çalışmanın sonunda ise problemin çözümüne dair en uygun düzenleme sunulmuştur. PHYSICAL MODELLING OF FOAM DISCHARGE PROBLEM AT A COOLING WATER OUTFALL STRUCTURE Abstract In this study, foam discharge problem at a cooling water outfall structure of a thermal power plant located at Iskenderun Bay was dealt. In this context a physical model of outfall structure was built at the Hydraulic Laboratory of Istanbul Technical University Faculty of Civil Engineering and the foaming problem has been defined. In addition, various structural arrangements have been tried in order to eliminate the foaming problem. At the end of the study the most appropriate arrangement as regards to the solution of the problem is presented. Anahtar Kelimeler Köpüklenme, soğutma suyu deşarjı, yükleme odası, fiziksel model Giriş Dünya çapında enerji ihtiyacı her geçen gün katlanarak artmaktadır ve bu ihtiyacın karşılanması amacıyla çok çeşitli enerji tesisleri yapılmaktadır. Bu enerji tesislerinin büyük bir kısmında enerji üretimi sırasında ortaya çıkan aşırı ısınmayı ortadan kaldırmak amacıyla soğutma suyu sistemleri kullanılmaktadır. Son olarak 11 Mart 2011 tarihinde Japonya da meydana gelen deprem ve sonrasında oluşan tsunami nedeni ile Fukushima Nükleer Santrali ne ait soğutma suyu tesisleri hasar görmüş ve bu da büyük bir nükleer felakete yol

- 378-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu açmıştır. Bu örnek bizlere soğutma suyu sistemlerinin tasarımının enerji tesisleri açısından çok kritik önemde olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada ele alınan problem İskenderun Körfezi nde bulunan bir kömür yakıtlı termik santralin soğutma suyu deşarjı esnasında, deşarj bölgesi çevresinde deniz yüzeyinde köpüklenme gözlenmesidir (Şekil 1). Her ne kadar yapılan kimyasal ve biyolojik testler, su kalitesi parametrelerinin izin verilen limitler dâhilinde olduğunu gösterse de köpüklenme olayı görsel bir kirlilik yaratmakta ve bu da çevre halkı açısında tedirgin edici bir durum oluşturmaktadır. Ayrıca oluşan bu köpükler dalga ve akıntı koşullarınca çevre sahillere de taşınmakta olup bu olumsuzluk geniş bir kıyı şeridini etkilemektedir. Köpüklenme kaynağı: Difüzörler Şekil 1. Deşarj bölgesindeki köpüklenme Şekil 2. Soğutma suyu deşarj sistemine ait yükleme odasında gözlenen köpüklenme problemi

7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu - 379 - İlgili termik santrale ait soğutma suyu deşarj tesisinde yapılan incelemelerde yükleme odasında düşüm yüksekliğinin fazla olduğu ve köpüklenmenin kaynağının bu yükleme odası olduğu gözlemlenmiştir (Şekil 2). Bunun üzerine yükleme odasının fiziksel bir modelinin kurulmasına karar verilmiştir. Çalışmanın Kapsamı Bu çalışmada termik santrale ait soğutma suyu sistemi yükleme odasının fiziksel bir modelinin kurularak köpüklenme probleminin nedenlerinin ortaya konması ve çözüm önerilerinin üretilmesi hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı nda fiziksel bir model kurulmuştur. Bu çalışma kapsamında; işletme koşulları altında modelin çalıştırılması ve problemin görüntülenmesi; köpüklenmenin belirlenmesi ve oluşum mekanizmasının irdelenmesi; farklı işletme koşulları için köpük yoğunluğunun ve hareketinin incelenmesi; çeşitli kesitlerde hız profillerinin çıkartılması; yapı içerisindeki akım ağının ve çevrinti özelliklerinin ortaya konması ve hidrolik açıdan köpüklenme probleminin uygulanabilir çözümüne dair araştırmaların yapılması başlıkları incelenmiştir. Soğutma suyu deşarj sisteminin özellikleri Çalışma kapsamında incelenen tesiste deniz suyu -5.50 m Chart Datum (CD) derinlikte yer alan su alma yapısından Ø2400 lük 4 adet boru ile toplam 60 m 3 /s debi olacak şekilde alınmaktadır. Daha sonra alınan bu deniz suyu tesiste soğutma suyu olarak kullanıldıktan sonra -9.00 m ile -11.00 m CD derinlikleri arasında difizörler yardımı ile deniz ortamına tekrar verilmektedir. Deşarj borularındaki gerekli akım koşullarını sağlamak amacı ile sisteme 4 odacıklı bir adet yükleme odası inşa edilmiştir. Bu yükleme odasının memba kısmında tesisten basınçlı akım olarak gelen desarj suyu serbest yüzeyli akım olarak devam etmekte ve daha sonra savaklanarak düşüm havuzuna dökülmektedir. Yükleme odasının düşüm havuzundan sonraki mansap kısmında ise basınçlı akım mevcuttur. Bu yükleme odasına ait en kesit ve plan görünümü Şekil 3 te verilmiştir. Bu şekilde uzunluklar cm biriminde olup şekilde belirtilen kotlar ise CD a göre verilmiştir. Bölgeye ait oşinografik bilgiler Yükleme odasındaki düşüm havuzu derinliği deniz ortamındaki su seviyesi değişiminden etkilenmesinden dolayı bölgeye ait oşinografik veriler önem kazanmaktadır. Bölgedeki gel-git karakteristiği Akdeniz de birçok bölgede görülen gel-git karakteristikleri ile benzerlik arz etmektedir. İskenderun Körfezi nde gel-git in periyodu 12.4 saat olup en yüksek astronomik gel-git (HAT) +0.80 m CD ve de en düşük gel-git (LAT) ise 0.00m CD dur. Ayrıca deniz suyu seviyesi salınımında fırtına kabarmasının rolününde önemi bulunmaktadır. Güçlü fırtınalar sırasında gel-gite ek olarak ve de rüzgârın esme yönüne bağlı olarak su seviyesinde 0.60 m lik bir artış veya azalış beklenmektedir. Deşarj sisteminin temel hidrolik özellikleri Termik santrale ait deşarj sistemi kabaca yükleme odası ve deşarj borusu olmak üzere iki tip yapıdan oluşmaktadır. Bunlardan ilki olan yükleme odasına ait en kesit ve plan görünümleri Şekil 3 te verilmiştir. Deniz suyunun santral içerisindeki çevrimi tamamlandıktan sonra bütün debi ana hatlar vasıtasıyla yükleme odasına iletilmektedir. Yükleme odasına 4 adet

- 380-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu boru ile gelen deniz suyu, yapıya yine 4 adet kanal vasıtası ile basınçlı olarak girmekte daha sonra ise serbest su yüzeyi şeklinde +7.5 m CD seviyesinde olacak şekilde yükselmektedir. Buradan sonra ise CD da bulunan savaktan düşüm havuzuna savaklanmaktadır. Düşüm havuzunun taban kotu CD olup su yüzeyi seviyesi normal işletme koşullarında ise +2.50 m CD ile +3.00m CD arasında değişmektedir. Düşüm havuzundan sonra ise deniz suyu her biri 8.50 m boyundaki 4 adet kanal yardımı ile derin deniz deşarjının yapılacağı 4 adet deşarj borusuna iletilmektedir. Şekil 3. Yükleme odasına ait en kesit ve plan görünümü Bu 4 adet deşarj borusunun her birinden 15.4 m 3 /s lik bir debi iletilmektedir. Bu boruların ve de boruların açık deniz uçlarındaki difizörlerin uzunlukları ile borularda hesaplanan toplam yük kayıpları Tablo 1 de özetlenmiştir. Ayrıca bu boruların tamamı CTP den yapılmış olup tamamı daha önce de belirtildiği gibi 2.4 m çapına sahiptir.

7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu - 381 - Toplam boru uzunluğu (m) Tablo 1. Deşarj borularının özellikleri. Boru 11 Boru 12 Boru 21 Boru 22 1289.97 1262.44 1207.23 1150.52 Difizör uzunluğu (m) 20 20 40 40 Riser çapları (m) 1.20+2 x 1.30 1.20+2 x 1.30 1.20+2 x 1.30 1.20+2 x 1.30 Riser yüksekliği (m) 1.50 1.50 1.50 1.50 Riser aralıkları (m) 10 10 20 20 Yük kayıpları (m) 2.80 2.75 2.60 2.50 Savaklarda meydana gelen hava girişi Savaklarda meydana gelen hava girişi, hidrolik yapılardaki kuyruk suyunun tekrar havalanmasının öneminden dolayı çokça irdelenmiştir. Bu olay akım içerisinde, sudaki çözünmüş oksijen miktarını artırmaktadır ve de dolayısıyla yaşam ortamını çevresel açıdan zenginleştirmektedir. Suya oksijen transferi genellikle istenen bir durumdur. Buna rağmen bazı hallerde, hava kabarcıklarının içerisindeki yüksek basınç, suyun atmosfer basıncı ile dengeleyebileceğinden daha fazla oksijen ve nitrojenin çözünmesine neden olur. Bu durumdaki hava kabarcıkları su ile birlikte düşüm havuzuna girmekte; su yüzeyinde salınımlara sebep olmakta ve yine su yüzeyinde köpüklenme meydana getirmektedirler. Düşüm havuzuna giren hava kabarcıkları küçük çaplı parçacıklar olup düşüm havuzunun derinliklerine kadar ilerleyebilmektedirler. Derinlere inebilen bu parçacıklar orada birleşerek büyük hava kabarcıkları meydana getirirler (Hibbs ve diğ., 1997). Hava kabarcıkları suya nazaran daha az özgül kütleye sahip olmalarından dolayı yüzeye hareket ederler ve düşüm havuzunda çevrintiler meydana getirirler (Avery ve Novak 1978, Watson ve diğ 1998). Bu hava-su etkileşimi istenmeyen köpüklenme meydana getirmektedir. Bu çalışma kapsamında ele alınan düşüm havuzunda ise sırası ile şu adımlar olmaktadır: Su düşüm havuzuna yüksek bir enerji ile düşmekte, Hava kabarcıkları oluşmakta, Su yüzeyinde ciddi salınımlar meydana gelmekte, Yüzeyde köpüklenme meydana gelmekte Oluşan hava kabarcıkları, yüzeyde meydana gelen köpükler ile birlikte sürekli olarak düşüm havuzunun derinliklerine ilerlemekte ve buradan da deşarj borusu vasıtasıyla denize deşarj edilmektedir. Düşüm havuzunun tabanına hava kabarcıklarının kavuşmasını engellemek için, düşüm havuzu derinliğinin optimize edilmesi gerekmektedir. Daha önce yapılmış deneysel çalışmalar sonucunda kuyruk suyu derinliğinin (H), optimum düşüm havuzu derinliğine (Hopt) eşit veya bu derinlikten büyük olması durumunda hava kabarcıklarının tabana ulaşamadıkları elde edilmiştir. Avery ve Novak (1978) belirli bir düşüm yüksekliği için, optimum düşüm havuzu derinliğini (Hopt) şu şekilde elde etmişlerdir: H opt 7.5 h F h 0.53 0.42 j (1)

- 382-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Bu denklemde h, savağın memba ve mansap kısmındaki su yüzeyi seviye farkını (düşüm yüksekliğini) ve de Fj ise the jet Froude sayısını göstermektedir. Yine Avery ve Novak (1978), hem dikdörtgen hem de dairesel en kesitlere ait jetler için Fj yi şu şekilde tanımlamıştır: F j gh 3 2 2q j 0.25 Bu denklemde g, yerçekimi ivmesini; qj, ise birim genişlikten geçen debidir. Ayrıca, Avery ve Novak (1978) Reynold sayısını ise Rj = qj/ olacak şekilde kabul etmişlerdir. Burada kinematik viskoziteyi ifade etmektedir. Serbest düşüm napına sahip geniş dikdörtgen savaklar için qj q/2 şeklindedir. Bu ifade kullanılarak: (2) F j 3 2gh 2 q 0.25 (3) ve de R j q 2 şeklinde elde edilir. Mevcut sistem bu veriler altında incelendiğinde, düşüm yüksekliğinin, düşüm havuzu boyutları göz önüne alındığında, çok fazla olduğu anlaşılmaktadır. Bu durumda hâlihazırda inşa edilmiş olan düşüm havuzunun boyutları değiştirilemeyeceğinden dolayı, ya deşarj hattındaki yük kayıpları arttırılarak düşüm havuzundaki su yüksekliği yükseltilip düşüm yüksekliği azaltılmalı, ya havuz içerisindeki akım ağına müdahale edilmeli, ya da düşüm napının enerjisi kırılması gerektiği kanısına varılmıştır. Ayrıca bahsi geçen termik santral, bakım çalışmaları için senede sadece 5 ila 7 gün arası bir zaman diliminde çalışmayı durdurmaktadır. Bu nedenle çalışma sonunda önerilecek çözüm veya çözümlerin bu süre içerisinde uygulanabilir olması gerekmektedir. Bu şartlar göz önüne alınarak kurulan deney düzeneğinde az önce bahsi geçen tedbirlerin sağlanmasına yönelik çeşitli senaryolar uygulanmıştır. (4) Fiziksel model çalışması Yukarıda bahsi geçen amaçlar çerçevesinde İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi bünyesinde bulunan Hidrolik Laboratuarı nda fiziksel bir model kurulmuştur. Kurulan bu fiziksel modelde daha iyi bir gözlem yapılabilmesi amacıyla pleksiglas malzeme kullanılmıştır. Modele ait parçaları elde etmek amacıyla pleksiglas plakalar CNC kontrollü bir tezgâhta uygun ölçülerde kesilmiş ve bu elde edilen parçalar birleştirilerek model oluşturulmuştur (Şekil 4). Deneyler sırasında su seviyesi ölçümü için 4 adet direnç tipi dalga probu, 1 adet dalga monitörü ve 1 adet analog/dijital dönüştürücü kart kullanılmıştır. Akım ortamında hız ölçümleri için ise 2 adet akustik Doppler hızölçer (ADV) kullanılmıştır. Bunlara ek olarak görüntü kaydı için 60 fps görüntü alma hızına sahip 1 adet dijital kamera ve 1 adet dijital fotoğraf makinesi kullanılmıştır. Deneyler sırasında 4 düşüm havuzundaki su seviyeleri kaydedilmiş ve de düşüm havuzları içerisindeki akım alanları ADV ler yardımı ile elde edilmiştir.

7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu - 383 - Şekil 4. Pleksiglas malzemeden oluşturulan model. Hidrolik model çalışmalarında sistem üzerinde hareketi kontrol eden kuvvetlere göre model ve prototipte boyutsuz bir sayı eşitlenerek model ölçeği elde edilmektedir. Hidrolik problemlerinde ağırlıklı olarak 2 farklı boyutsuz sayı kullanılmaktadır. Sistemi kontrol eden kuvvetlerde sürtünme kuvvetleri etkin ise Reynolds; ağırlık kuvvetleri etkin ise Froude modelleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise ilgilenilen yapıda esas odaklanılan kısım olan düşüm havuzunda ağırlık kuvvetleri daha etkin olduğundan Froude modeli kullanılmıştır. Kurulan modele ait geometrik (Lr), hız (Vr) ve debi (Qr) ölçekleri aşağıdaki gibidir: Lr = 1/16 = 0.0625 Vr = (Lr ) 1/2 =1/4 = 0.25 Qr = (Lr ) 2 x Vr = (Lr ) 5/2 = 1/1024 = 0.0009765625 (Qp = 60 m 3 /s Qm = 0.05859 m 3 /s = 58.59 l/s) Deney Prosedürü Deneyler sırasında ilk olarak tesisin mevcut durumu ortaya konmuş ve bu duruma ait veriler elde edilmiştir. Daha sonrasında mevcut problemin çözümüne yönelik çeşitli yapısal düzenlemeler test edilmiştir. Tablo 2 de yapılan deneyler özetlenmiştir. Bununla birlikte bu çalışma sırasında denenen yapısal düzenlemeler Şekil 4 te verilmiştir.

- 384-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu No. Tablo 2. Deney Prosedürü (Su seviyeleri CD a göre verilmiştir.) Deney Adı Debi (m 3 /s) Su Seviyesi (m) Yapısal Düzenleme 1 1_L0_00 60 0 Mevcut Durum 2 1_L1_00 60 1 Mevcut Durum 3 1_L1_60 60 1.6 Mevcut Durum 4 1_L2_00 60 2 Mevcut Durum 5 1_L2_80 60 2.8 Mevcut Durum 6 1_L3_60 60 3.5 Mevcut Durum 7 1_L4_00 60 4 Mevcut Durum 8 1_L4_50 60 4.5 Mevcut Durum 9 2_L2_80 60 2.8 Mevcut Durum 10 2_L2_80_ver_b1 60 2.8 Düşey Kiriş 11 2_L2_80_ver_b2 60 2.8 Düşey Kiriş 12 2_L2_80_ver_b3 60 2.8 Düşey Kiriş 13 2_L2_80_ver_b4 60 2.8 Düşey Kiriş 14 2_L2_80_inc_b1 60 2.8 Eğik Kiriş 15 2_L2_80_inc_b2 60 2.8 Eğik Kiriş 16 2_L2_80_inc_b3 60 2.8 Eğik Kiriş 17 3_L2_80_block1 60 2.8 Dikdörtgen Blok 18 3_L2_80_rough1 60 2.8 Sıralı Üçgen Blok 19 3_L2_80_rough2 60 2.8 Sıralı Üçgen Blok 20 4_L0_00_inc_b2 60 0 Eğik Kiriş 21 4_L0_80_inc_b2 60 0.8 Eğik Kiriş 22 4_L0_80 60 0.8 Mevcut Durum 23 4_L1_60_inc_b2 60 1.6 Eğik Kiriş 24 4_L1_60 60 1.6 Mevcut Durum 25 4_L2_40_inc_b2 60 2.4 Eğik Kiriş 26 4_L2_40 60 2.4 Mevcut Durum 27 4_L2_80_inc_b2 60 2.8 Eğik Kiriş 28 4_L2_80 60 2.8 Mevcut Durum 29 4_L3_20_inc_b2 60 3.2 Eğik Kiriş 30 4_L3_60_inc_b2 60 3.6 Eğik Kiriş 31 4_L4_00_inc_b2 60 4 Eğik Kiriş

7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu - 385-120 120 320 465 255 465 255 320 920 799,25 320 270 26 160 18 815 80 320 240 29 150 880 440 160 160 440 100100 440 120120 100 120 Şekil 5. Yapısal Düzenlemeler Bulgular Yapılan fiziksel model çalışması sonucunda söz konusu tesiste mevcut olan köpüklenme probleminin giderilmesi için çeşitli çözüm yolları araştırılmıştır. Tesisin mevcut halinin modellendiği deneyler sonucunda köpüklenme olayının sıklıkla gözlendiği ve bu duruma düşüm yüksekliğinin fazla olması ve su içerisine giren hava kabarcıklarının tekrar yüzeye çıkması için yeterli mesafe olmamasının neden olduğu belirlenmiştir. Kısacası yükleme odasının tasarımı sırasında belirlenen ölçüler yetersiz kalmaktadır. Mevcut durum ortaya

- 386-7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu konulduktan sonra köpük oluşumunu engelleyebilecek çeşitli yapısal konfigurasyonlar denenmiştir. Yükleme odası tabanına köpüklerin mansaba iletilmesini engellemek için yerleştirilmesi denenen blokların hava kabarcıklarının azalmasında etkili olamadığı, ayrıca tabandaki basınç gradyanı sebebiyle çok yüksek yüklere maruz kaldıkları belirlenmiştir. Yükleme odasının düşüm havuzunu ikiye ayırarak, burada hava emilimini tetikleyen çevrintilerin kırılmasına yönelik olarak denenen düşey kirişler ise umulan faydayı sğlayamamıştır. Bunların ardından, düşüm napının enerjisini daha havuza ulaşmadan kırmaya yönelik çeşitli enerji kırıcı kiriş alternatifleri denenmiştir. Bu deneyler sonucunda düşüm havuzu ağzına düşeyle 26º açılı bir kiriş yerleştirilmesinin en etkili çözüm olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca, tasarlanan kirişle beraber düşüm havuzundaki mevcut su seviyesinin arttırılması da bu olumlu etkiyi arttırmaktadır. Bu çözümün diğer bir avantajı ise küçük bir yapısal değişiklik olması ve düşüm havuzunun dışında gerçekleşmesi sebebiyle çok kısa sürede uygulanabilecek nitelikte olmasıdır. Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada bir enerji santralinin soğutma suyu deşarjındaki köpüklenme probleminin kaynağı olan yükleme odası fiziksel modelleme yöntemi ile modellenmiş ve model benzeşimi ilkeleri ile problemin fiziği ve nasıl çözülebileceği araştırılmıştır. Önerilen çözüm yöntemi yükleme odasındaki düşüm savağının ağzına eğik bir kiriş yerleştirilerek düşüm napının enerjisinin düşüm havuzuna ulaşmadan kırılmasıdır. Bu eğik kirişin boyutları ve doğrultusu model üzerinde gerçekleştirilen çeşitli deneylerle düşüm havuzu içinde hava emilmesini en aza indirecek biçimde optimize edilmiştir. Önerilen çözüm yönteminin bir başka avantajı da tesisin işletimi durdurulmadan, yıllık periyodik bakım için verilen 5-7 günlük bir arada uygulanabilecek olmasıdır. Kayanakça Watson, C.C., Walters, R. W.,Hogan, S. A., (1998), Aeration Performance of Low Drop Weirs, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol 124, No.1, pp 65-71. Avery, S. T., and Novak P., (1978), Oxygen Transfers at Hydraulic Structures Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol 104, No.11, pp 1521-1540. Hibbs, D.E., and Gulliver, J.S., (1997), Prediction of Effective Saturation Concentration at Spillway Flunge Pools Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol 123, No.11, pp 940-949