BİR DOĞAL GAZ KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNDE EKSERJİ UYGULAMASI

BİR DOĞAL GAZ KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNDE EKSERJİ UYGULAMASI Süha Orçun MERT, Zehra ÖZÇELİK Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Bornova İzmir e-posta: orcunmert@mynet.com, zozcelik@bornova.ege.edu.tr ÖZET Düşük yatırım maliyeti, verimli çalışma ve çevresel etkilerin asgari olması nedeni ile Doğal Gaz Kombine Çevrim tipi elektrik santrallerine ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Bu tip santraller, hem kullandıkları yakıtın büyük bir kısmını elektrik enerjisine çevirebilmekte, hem de çevreye önemli bir zarar vermemektedir. Bu çalışmada, Intergen-Enka İzmir Doğal Gaz Kombine Çevrim santralinin bir enerji blok ünitesinde enerji ve ekserji analizi yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Sistemin termal performansının incelenmesi için gaz türbininde (GT), atık ısı kazanında (HRSG) ve buhar türbinlerinde (ST) ekserji ve verim hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplamaların sonunda yanma odalarında ve bacadan çıkan gazlarla yok olan ekserjinin diğer ünitelerdekilerin çok üstünde olduğu gözlenmiştir. Böylece sistemin toplam verimliliğinin diğer ünitelere de dayanmakla birlikte baskın olarak bu iki kısma dayandığı söylenebilir. Anahtar Kelimeler: Doğalgaz kombine çevrim santrali; Ekserji analizi; Enerji analizi. 1. GİRİŞ Termodinamiğin birinci yasası enerji verimliliğini değerlendirmek için yapılan analizlerde gerekli ise de, bu yasa ile analizi yapılan bir enerji sisteminin çeşitli bileşenlerinin potansiyelleri ile kullanım sınırlamaları hakkında tam bir sonuç vermez. Bu durum tasarımda ve imalatta uyumu bozar. Herhangi bir enerji kaynağından maksimum iş olarak çekebileceğimiz enerji miktarına ekserji (kullanılabilir enerji) denir. Ekserji veya kullanılabilir enerji, bir sistemin çevresi ile denge haline gelirken yapabileceği en fazla faydalı işi belirtir. Bununla birlikte termodinamiğin ikinci yasası veya ekserji analizi, enerji sistemlerinin tasarımında ve performans analizinde daha iyi sonuç verir. Ekserji analizi ısıl sistemlerin değerlendirilmesinde ve tasarımında büyük önem kazanmıştır.ekserji genel olarak korunmaz. Tersine yok olur bunun sebebi de sistem içindeki tersinemez durumlardır. Bunların ışığında genel olarak yapılan bir ekserji analizi sistemin içinde ne kadar bir enerji kaybı oluştuğunu ve nerelerde oluştuğunu ortaya koyar. Böylece sistem içindeki termodinamik verimsizlikler ortaya konulmuş olur [2]. Bu çalışmada, Intergen-Enka İzmir Doğal Gaz Kombine Çevrim santralinin bir enerji blok ünitesinde enerji ve ekserji analizi yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Santral, toplam 2 adet güç blok ünitesiyle 1523 MW net güce sahiptir. Her bir blok iki gaz türbin jeneratörü, iki atık ısı kazanı ve bir buhar türbin jeneratörüyle bir kondenser ve bir soğutma kulesini içerir. Her bir güç bloğu birbirinden bağımsız çalışmakta, ancak bazı ortak tesislerden faydalanmaktadır. Santralde bulunan 4 adet gaz türbin jeneratörünün her biri ilk adım enerjisi olarak 244 MW enerji üretmektedir. Atık ısı

kazanlarında yanma reaksiyonun ürünü olan sıcak gazlar üç değişik kademede - düşük basınç (LP; 4.3 bar), orta basınç (MP; 25 bar) ve yüksek basınç (HP; 122 bar)- buhar üretmek için kullanılır. Her buhar türbin jeneratörü ise 273 MW enerjiyi, üç kademeli buharı kullanarak üretir. Bu şekilde iki farklı çevrim gerçekleştiği için, bu tip santrallere Kombine çevrim santrali denmektedir. Kombine çevrim %60 lara ulaşan verimiyle basit çevrime nazaran etkin bir verim göstermektedir [1]. Bu verimi ilk kademede gaz türbininde ürettiği elektrik enerjisine ilaveten atık ısı kazanlarında (HRSG) egzoz gazlarını kullanarak ürettiği buhar vasıtasıyla buhar türbinlerinde elde edilen ikinci kademe elektrik enerjisiyle elde etmektedir. Üretilen buhar değişik kademelerde olabilir. İncelediğimiz İzmir santralinde 3 kademe buhar kullanılmaktadır; LP (4.3 bar), IP (25 bar), HP (122 bar). 2. EKSERJİ HESAPLAMALARI Enerjide de olduğu gibi herhangi bir akımdaki ekserji de değişik bileşenlere ayrılabilir. Nükleer etkiler, manyetizma, elektrik, ve yüzey gerilimi göz ardı edildiğinde, ekserji ( E ) : E= E k + E p + E phy + E ch (1) şeklinde tanımlanır.bu denklemde E k kinetik ekserji, E p potansiyel ekserji, E ph fiziksel ekserji, E ch kimyasal ekserjiye karşılık gelmektedir [3]. Kinetik ve potansiyel ekserji hesaplamalara alınmamıştır.fiziksel ekserji (2) bir akımda belli sıcaklık ve basınca sahip maddenin referans duruma ısıl işlemler içeren fiziksel proseslerle ulaşırken elde edilen maksimum iş olarak tanımlanır. Kimyasal ekserji ise akımın içeriğinin referans durumdaki içerikle arasındaki farktan doğmaktadır [2]. E phy = ( H 1 -T 0 S 1 ) ( H 0 -T 0 S 0 ) (2) E ch = E o ch + Σ(xln(x)) (3) Yatışkın durumdaki yalıtılmış bir kontrol hacminde ekserji dengesi şu şekilde oluşur: E i = E o +W +E D (4) Burada E i sisteme giren ekserji, E o sistemden çıkan ekserji, W sistemle çevre arasındaki is transferi, E D ise sistem içinde yok olan ekserjiyi temsil etmektedir. Bu teknikler göz önüne alınarak İzmir doğalgaz kombine çevrim santralinde iki tane bulunan enerji bloğundan bir tanesi üzerindeki (Şekil 1) gaz türbini, atık ısı kazanı ve buhar türbinlerinde ekserji hesaplamaları yapılmıştır. Referans durum bu çalışma için 20 C ve 1 atm olarak genel atmosferik içerikte ( 21% O 2, 79 % N 2 ) seçilmiştir.

Baca #6 Kondensat #7 Atık Isı Kazanı Doğalgaz #2 Hava #1 Kompresör #3 #11 Yanma Odası #4 #8 #5 Elektrik #12 Jeneratör Jeneratör Çürük buhar #10 Elektrik #9 Şekil 1. Kombine Çevrim [2] 2.1 Gaz Türbini Gaz türbini ( GE MS9001FA) temel olarak üç bölümden oluşmaktadır. Kompresör, yanmada ve soğutmada kullanılacak hava için; yanma odası, yakıtın sıkıştırılmış hava ile yakıldığı bölüm ve türbin. Kompresör: Kompresörde yanma odasında kullanılacak hava sıkıştırılmaktadır. Giren hava atmosferik şartlarda gelmektedir (T=293,15 K, P=1 atm). Kompresör 1/14 sıkıştırma oranı ile çalışmakta ve yapılan hesaplamalarda (2) ve (4) ten yararlanarak: E 1 + E 11 = E 3 + E D (5) η=( E 3 - E 1 ) / (E 11 ) (6) şeklinde gösterilebilir. Yanma Odası: Yanma odasında tam yanma oluştuğu kabul edilmiştir.sıcaklık, basınç ve debi değerleri işletme şartlarında alınmıştır.yakıtın ekserjisi (4) ve (3) ten yararlanılarak hesaplanmıştır. E 3 + E 2 = E 4 + E D (7) η=e 4 / ( E 3 + E 4 ) (8) Türbin: Türbinde yaklaşık olarak atmosferik basınca (1,044 bar) kadar genleşme olmaktadır, çıkış sıcaklığı da işletme şartı olan 900 K alınmıştır.. Giriş özellikleri T=1570 K ve P=14 barg olarak alınmıştır. E 4 = E 11 + E 5 +E 6 (9) η=( E 11 + E 6 ) / ( E 4 E 5 ) (10) 2.2 Atık ısı kazanı: Atık ısı kazanında (HRSG) üç farklı basınçta kızgın buhar üretilmektedir. Bunlar LP (4.3 bar), IP (25 bar), HP (122 bar) dır.bunun için değişik görevlere sahip 15 değişik modül kullanılmaktadır.

Bu modüller birer ısı değiştirgeci veya buharlaştırıcı olarak çalışmaktadır.bu modüller ve genel olarak HRSG için yapılan hesaplamalarda (11) ve (12) kullanılmıştır. E 5 + E 7 =E 6 + E 8 (11) η= ( E 7 -E 8 ) / ( E 6 - E 5 ) (12) 2.3 Buhar türbinleri: Aynı aks üzerinde çalışan üç ayrı buhar türbini bulunmaktadır. Bunlar için yapılan analizlerde (4) kullanılmıştır.giriş koşulları işletme değerleri olan HP için 838 K ve 122 bar IP için 835 K ve 25,5 bar son olarak da LP için 564 K ve 5 bar alınmıştır. Çıkış değerleri ise HP için 624 K ve 29,4 bar IP için 566,5 K ve 5 bar IP için ise 314 K ve 0,0077 bardır. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Yapılan hesaplamalar sonucunda kombine çevrim ekipmanlarının giriş ve çıkışlarında ekserji değerleri, ekserji kayıpları ve verim ortaya konulmuştur. Tablo 1 de kombine çevrim ekipmanları arasındaki hatlardaki içerik ve hesaplanan ekserji değerleri verilmiştir. Buhar tarafı sıcaklık ve basınç değerleri genel olarak işletme koşulları kabul edilmiştir.hat 10;3 için hesaplanan ekserji değerinin negatif olma nedeni ait olduğu birimin vakum (0,007 bar) altında çalışmasıdır. Atık ısı kazanı gaz tarafı için yatay olarak sıcaklığın değişmediği kabul edilmiş ve enerji denklikleri kullanılarak sıcaklık ve entalpi değişim değerleri hesaplanmıştır. Gaz tarafı isimlendirmesi yanma ürünleri için kullanılmıştır. Yanma odasında tam yanma kabul edilmiş ve yanma ürünleri içeriği mol kesri olarak 0,11 O 2 ; 0,78 N 2 ; 0,04 CO 2 ve 0,07 H 2 O olarak hesaplanmış ve kullanılmıştır. Enerji hesaplamalarında yanma ürünleri ideal kabul edilmiş entalpi ve entropi değerleri bu koşullar altında hesaplanmıştır. Tablo 1. Şekil 2 deki hatların içeriği, enerjileri ve ekserjileri Hat # İçerik Enerji [MW] Ekserji [MW] 1 Hava 170,9 0,0 2 Doğalgaz 0,6533 995,1 3 Hava 404,1 83,6 4 Yanma Ürünleri 1198 780,1 5 Yanma Ürünleri 256 487,0 6 Yanma Ürünleri 10,1 123,1 8;1 Kızgın Buhar 515,04 223,4 8;2 Kızgın Buhar 688,02 272,56 8;3 Kızgın Buhar 576,97 158,7 9;1 Elektrik 58,71 58,7 9;2 Elektrik 105,39 105,114 9;3 Elektrik 89,11 89 10;1 Çürük Buhar 456,33 162,51 10;2 Çürük Buhar 582,63 160,4 10;3 Çürük Buhar 487,87-36 12 Elektrik 160 160

Tablo 2 karşılıklı olarak modüllerde gaz tarafı ve buhar tarafında oluşan ekserji değişimleri ortaya konulmuştur.genel olarak ısı transferinden kaynaklanan ekserji kayıpları oluşabilmekte ise de hesaplanan büyük farklar gaz tarafının hesaplamalarında ideal gaz koşullarının kabul edilmesinden de oluşmuş olabilir. Tablo 2. Atık ısı kazanı modüllerinde gaz ve su tarafı karşılıklı ekserji değişimleri Modül (MW) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Gaz tarafı 71,8 1,3 16,0 14,7 1,7 11,1 35,9 36,6 44,2 26,9 2,0 29,2 36,6 21,8 25,0 Su /Buhar Tarafı 11,2 1,0 1,2 1,1 0,7 1,0 13,5 18,0 8,9 7,3 1,1 15,3 10,9 9,6 10,6 Atık ısı kazanına giren yanma ürünleri Şekil 2 de de görülebildiği gibi HRSG boyunca ekserjisini kaybetmekte ve sıcaklığı düşmektedir. Son değer olan 123 MW bacadan çıkan yanma ürünleriyle kaybolan ekserjinin büyüklüğünü ortaya koymaktadır. Bu değer ne kadar küçülürse verim o kadar artmaktadır, fakat baca çıkışı sıcaklık değeri yanma ürünleri karışımı içindeki su buharının yoğunlaşma riskine karşı çok da fazla düşürülememektedir. Yapılan ekserji hesaplamalarından sonra, ekserjetik verim hesaplamaları ve yakıt ekserjisine oranla ekserji kayıpları hesaplamaları yapılmış ve Tablo 4 te gösterilmiştir. Görüldüğü gibi yanma odasında en yüksek ekserji kaybı oluşmaktadır. Bu değer kaynak değerlerle uyum göstermekte ve enerji santrallerinin genel problemi olmaya devam etmektedir. Bu kısımda yapılabilecek iyileştirmeler toplam verimi yüksek oranda etkileyecek ve çağımız sorunu olan enerjinin daha etkin kullanımına destek verecektir. 700 600,00 600 Sıcaklık Ekserji 500,00 500 400,00 Sıcaklık [ C] 400 300 200 300,00 200,00 Ekserji [MW] 100 100,00 0 türbin çıkışı 14 8 13 7 12 11 15 6 3 10 5 4 9 2 1: Baca 0,00 Modül # Şekil 2. HRSG gaz tarafında modül çıkışlarına karşılık ekserji ve sıcaklık

Bir diğer yüksek kayıp da HRSG de gözükmektedir. Fakat daha öncede bahsedildiği gibi bu değer hesaplama yöntemleri sebebiyle yüksek çıkmıştır.aslında bu değerinde 3-5% gibi çıkması beklenmektedir. Tablo 4. Kombine çevrim ekipmanlarında verim ve bir blokta oluşan ekserji kayıpları. Ekipman Verim, % Kayıp Bir Bloktaki Kayıp (E F )% (E F )% Kompresör 73,7 2,0 2,0 Türbin 93,2 3,0 3,0 Yanma odası 72,3 30,0 30,0 HRSG 38,3 22,6 22,6 HP buhar türbini 96,4 0,2 0,1 IP buhar Türbini 93,7 0,7 0,35 LP Buhar Türbini 72,6 3,4 1,7 Baca 12,4 12,4 Toplam 28,8 74,3 72,1 Sonuç olarak yapılan bu analiz İzmir Doğalgaz Kombine Çevrim Santraline özel olmakla birlikte, benzer hesaplamalar diğer sistemlere de kolayca uygulanabileceğinden belli hata payları göz önüne alınarak değerlendirilebilir. 4. SEMBOLLER E Ekserji [MW] S Entropi [kj/kmolk] H Entalpi [kj/kmol] η Verim [%] x Mol kesri W iş 5. KAYNAKLAR Altsimgeler p Potansiyel k Kinetik ch Kimyasal phy Fiziksel i Giriş o Çıkış D yok olan 1. Nag, P. K., De S., Study of thermodynamic performance of an integrated gasification combined cycle power plant, Proc. Instn. Mech. Engnrs., Vol. 212, Part A, 1998. 2. Kakaras, E., Doukelis, A.., Leithner, R., Aronis, N., Combined cycle power plant with integrated low temperature heat (LOTHECO), Applied Thermal Engineering,24, 2004. 3. Huang, Y-C., Hung, C-I., Chen, C-K., Exergy analysis for a combined system of steam-injected gas turbine cogeneration and multiple-effect evaporation, Proc. Instn. Mech. Engnrs., Vol 214, Part A, 2000. 4. Kotas, T. J., The Exergy Method Of Thermal Analysis, Anchor Brendon Ltd.,Tiptree, Essex,Great Britain, 1985. 5. Szargut, J., Morris, D. R., Steward, F. R., Exergy Analysis Of Thermal Chemical And Metallurgical Processes, Hemisphere Pub. Corp.,New York, 1988. 6. Çengel, Y. A., Boles, M. A., Thermodynamics : An Engineering Approach, Mc-Graw Hill, 4 th Ed.,2002.