KOMPRESÖR TASARIMI VE MALİYET ANALİZİ

T.C. CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOMPRESÖR TASARIMI VE MALİYET ANALİZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ UYGULAMALARI HAZIRLAYANLAR 120304093 CAN KIRAN DANIŞMAN Doç. Dr. LEYLA ÖZGENER MANİSA 2015

ÖZET Bu uygulamada elektrik üretim sisteminde kullanılan tipte bir kompresör seçimi ve seçilen kompresör tipinin hesaplanmasına yer verilmiştir. Öncelikle kompresörde temel tanımlar, çalışma prensipleri ve ekipmanlar arasındaki ilişkiler incelendikten sonra kompresör çeşitlerine göre kullanım alanları ve avantaj-dezavantaj verilecektir. Maliyet analizi çıkarıldıktan sonra uygun güç üretimi için uygun kompresör seçimi yapılacaktır. Son kısımda sonuç ve öneriler kısmına yer verilerek geliştirilebilirlik, verimlilik ve yenilenebilirlik gibi değerler üzerinden ele alınacaktır. I

Özet... I İçindekiler... II Tablo Listesi... III Şekil Listesi... IV İçindekiler 1.Giriş... 1 2.Kompresör Hakkında Genel Bilgiler... 2 2.1.Kompresör nedir?... 2 2.2. Kompresör Çeşitleri... 4 2.3. Kullanım Alanlarına Göre Kompresörler... 10 3.Maliyet Analizi... 11 4.Sonuç ve Öneriler... 12 5.Kaynakça... 13 II

TABLO LİSTESİ Tablo 1. Eksenel Kompresör Uygulamaları... 10 III

ŞEKİL LİSTESİ Şekil 1. Kompresör Çeşitleri Tablosu... 4 Şekil 2. Pistonlu Kompresör...6 Şekil 3. Santrifüjlü Kompresör...9 Şekil 4. Eksenel Kompresör...10 IV

1.GİRİŞ Bir gazı veya akışkanı gerekken basınca göre sıkıştırmaya yarayan alete kompresör denir. Yoğunluk ve akışkan özellikleri bir çok etkiye sahip olduğu için geniş bir kullanım alanına sahiptirler. İlk prototip sayılacak olan Wilkinson tarafından 1776'da İngiltere'de tanıtılan kompresörler sanayi devrimi ile büyük basınç ve hızla sıkıştırılma imkanı buldu. Hemen her işletmede mevcut proses ve operasyonların ihtiyacı olan basınçlı hava, vakumlu hava kurutma ve arıtma havuzlarının havalandırılması, toz veya granül halindeki maddelerin taşınması, basınç ile temizleme, vakum yoluyla temizleme gibi uygulama alanlarının yanında; basınçlı hava gaz çıkartma, filtreleme, şişeleme tüp doldurma, ambalajlama alanlarında kullanılır.[1] Benzin istasyonlarında lastiklere hava basan, buz dolabında soğutucu akışkanın devir daimini sağlayan, havalı frenlerde pedala basıldığında kampanalara hava pompalayan makine kompresördür. Taşıt mekaniğinde ağır vasıtaların fren ve dümen tertibatında yer alan kompresörler olduğu gibi motor ile birlikte çalışan kompresörlerde bulunur.[2] Gaz (Petrol) sıkıştırma işlemi, kontrol ve işletme mekanizmaları ham metal çözülmeleri, kontrol ve işletme mekanizmaları, kaldırma, (kağıt) taşıma, kontrol ve işletme mekanizmaları (kauçuk ve plastik) tezgah tahriki, sıkma, kontrol ve işletme mekanizmaları, form verme, kalıp baskı, püskürtme kalıbında, (taş, kil, cam) konveyör, harmanlama, karıştırma, konrol ve işletme mekanizmaları, cam üfleme ve kalıplarda, soğutma (tekstil) sıvıları çalkalama, bağlama sıkma, konveyör, otomatik ekipmanlar, kontrol ve işletme mekanizmaları, dokuma tezgahlarında, eğme ve bükme de kullanılır. 1

2. KOMPRESÖR HAKKINDA GENEL BİLGİLER 2.1 Kompresör Nedir? Bütün gazlar moleküllerden meydana gelir. Moleküller gaz içinde her yöne hareket ederler. Moleküller temas ettikleri her yüzeye eşit kuvvetle etki eder. Bu kuvvete basınç adını veririz. Bilindiği gibi basınç, birim alana etki eden kuvvettir. 1 kg ağırlığındaki bir cismin 1cm2 alan üzerine yaptığı etki 1 kg/cm2 olarak biçimlendirilir. Silindir içinde bulunan bir gaz, pistonun hareketi ile sıkıştırılmaktadır. Sıcaklık aynı kalmak şartıyla gazın hacmi küçülürse basınç artar. Birinci durumdaki hacim V 1, mutlak basınç P 1, ikinci durumdaki hacim V 2, mutlak basınç P 2 ise; P 1.V 1 =P 2.V 2 (1) veya; P 1 V 1 T 1 = P 2V 2 T 2 (2) şeklinde ifade edilir. Sıcaklık sabit kalmak şartıyla hacim ile mutlak basıncın çarpımı sabittir ve değişmez. Kompresör, gaz basıncını artıran bir makinedir. Normal olarak kompresöre belli bir basınçta giren gaz, daha yüksek basınçla çıkar. Emme ve basıncı arasındaki fark, kompresörde gaz üzerinde yapılan işten dolayıdır. Sıkıştırma oranı R, emme ve basma basıncının mutlak değerinin oranıdır. R = P 2 P 1 ' dir. (3) Belli hacimde bir gaz daha küçük bir hacme sıkıştırılırsa gazın basıncı artar. Sıkıştırılan gaz üzerinde bir iş yapılmıştır. Sıkıştırılmış gazın sahip olduğu potansiyel enerji, gazın bulunduğu kabı basınç şeklinde her istikamette etkiler. Enerji, yaratılamaz veya yok edilemez. Ancak bir şekilden diğer bir şekle dönüşür. Potansiyel enerji, kinetik enerjiye veya işe dönüşür. [1] 2

Kinetik enerjide potansiyel enerjiye dönüşebilir. Bir cisim üzerinde iş yapılırsa ona enerji ilave edilmiş olur. Basınçlı gaz, bir boru içinde akarken sahip olduğu basınç enerjisinin bir kısmı tek bir yönde harekete dönüşmüş olur. Akış halinde gazın potansiyel enerjisinin bir kısmı kinetik enerjiye dönüşmüştür. Akan gazın toplam enerjisi, basınç ve hız toplamının bir fonksiyonudur. Hiç bir iş yapılmaz enerji kaybı olmazsa (ısı enerjisi şekline dönüşüp atmosfere karışmazsa) akış sırasında toplam enerji sabit kalır. Yani akış halinde olan bir gazın hızı artarsa basıncı azalır. Hızı azalırsa basıncı artar. Potansiyel enerjiye sahip bir madde üzerinde mutlaka daha önce bir iş yapılmıştır. Basınçlı gaz üzerinde de bir iş yapılmıştır. Kompresör, gaz üzerinde iş yaparak ona enerji verir veya toplam enerjisini artırır. Kompresör kapasitesi, belli bir zaman aralığında hareket ettirdiği gazın hacmidir. Kompresör kapasitesi m3/dk, cm3/saniye, feet/dk (CMF) gibi birimlerle ölçülür. Bir boru içinde akan gazın akma miktarına debi adı verilir. Kompresörün çıkış borusunun debisi, kompresör kapasitesine eşittir. Boru içinde akan gazın debisi, gazın hızı ile boru kesitinin çarpımına eşittir. Aynı ebatlarda iki borudan akan gazlardan hızı fazla olanın debisi de fazladır. Buna karşılık iki farklı çapta borudan akan gazların hızları aynı ise, çapı büyük olanın debisi daha fazladır. Kompresörde akan gazın hızı artarsa kompresör kapasitesi de artar. Kompresörler, gazları sıkıştırdıkları için giren gazın hacmi çıkan gazın hacminden daha fazladır. Bu bakımdan giriş ve çıkış debileri de farklıdır. Kompresörde emme tarafındaki debinin ölçülmesi ile hesaplanır. Ancak emme tarafındaki basınç atmosfer basıncından fazla ise basınçlı gazın, atmosfer basıncındaki hacmi hesaplanarak debi tespit edilir. Başka bir ifade ile kompresör kapasitesi, emme veya basma debisinin atmosfer basıncındaki değeridir. 3

2.2. Kompresör Çeşitleri Şekil 1 Kompresör çeşitleri tablosu İşletme şartları gereğince çalışma basıncı ve gerekli hava miktarı bakımından değişik tiplerde kompresör kullanılır. Genel olarak sıkıştırma şekline göre kompresörler iki tiptir. Bunlardan birincisinde kapalı bir kap içindeki hava, kabın hacmi küçülterek sıkıştırılır. Hacimsel kompresörler, (pistonlu kompresörler, döner elemanlı kompresörler). İkinci tip ise dinamik kompresörlerdir. Hava bir taraftan emilerek hızlandırılır, bu hız enerjisi basınç enerjisine dönüştürülerek çıkış hattında istenilen basınca ulaşır. 2.2.1. Hacimsel Kompresörler Hacimsel kompresörlerin diğer bir ismi ise pozitif yer değiştirmeli (pozitif deplasmanlı) kompresörlerdir. Bunun anlamı, havanın kapalı bir hacim içinde ötelenerek sıkıştırılması, yüksek basınçlı tarafa doğru ötelenmesidir. Pozitif yer değiştirme; düşük basınçlı taraftan yüksek basınçlı tarafa doğru hava akışı olması ve buna karşılık ötelenen elemanın (Örneğin: Pistonun) hareketinin itme şeklinde olmasıdır. Hacimsel kompresör çeşitler aşağıda açıklanmıştır[2] 4

2.2.1.1. Pistonlu kompresörler Bir silindir boşluğu içinde hareket eden pistonun aşağı hareketi sonucu silindir içinde vakum oluşur ve emme subapı açılır. Atmosferden alınan hava kaba bir filtreden geçirilir ve silindir içine doldurulur. Pistonun alt ölü bölgeye kadar emiş işlevi devam eder. Piston yukarı yönde harekete başladığında hem emme hem de egzoz sübapı kapalıdır. Silindir içine hapsedilen hava sıkıştırılmaya başlanır. İstenen orana kadar sıkıştırma işlemi devam eder. Daha sonra egzoz supabı açılır ve basınçlı havayı sisteme gönderir. Silindir içinde pistonun aşağı yukarı hareketi ile hava taşınır. Pistonun aşağı hareketinde hava emilir, pistonun yukarı hareketinde hava sıkıştırılmış olarak basınçla dışarı verilir. Bir gaz sıkıştırıldığında hacmi küçülür. Yapılan iş ısıya dönüştürülür. Bu nedenle kompresörlerde su püskürtmeli soğuma yapılır. Pistonun alt ölü noktaya (aşağı) hareketiyle atmosfer gazı emilerek kuru hava filtresinde temizlenir ve emme supaplarından geçer, pistonun üst ölü noktaya (yukarı) hareketiyle birlikte basma sübapları ile sıkıştırılır. Pistonlu kompresörün üst bloğu, elektrik motoru kayış-kasnak sistemi yardımı ile desteklenir. Eğer kompresör tek kademeli ise basma sübaplarının bastığı basınçlı hava, önce bir kolektör yardımı ile toplanır. Sonra çek valf sisteminden geçirilerek hava deposuna yönlendirilir. Depoya giriş öncesindeki çek valf, depoda bulunan basınçlı havanın geri dönüşünü engeller. Kompresör çift veya üç kademeli ise alçak basınç kademelerinin bastığı hava, daha sonra ikinci veya üçüncü kademelere ara soğutucu sistemiyle aktarılır. Daha sonra yine bir kolektörde toplanarak çek valften geçirilir, hava deposuna yönlendirilir. Kompresörün ısınma sorunlarını gidermek ve olası kazaları önlemek için hava ve su soğutmalı kompresörler üretilmiştir. Kompresör iki kısımda incelenebilir. Birincisi kompresörün kendi içindeki parçalarını oluşturan bölümü, ikincisi ise bağlı bulunduğu kısımdır. 5

Bir pistonlu kompresörü oluşturan parçalar şunlardır: Silindir Piston Emme ve basma Sübapları Piston kolu Pistonlu kompresörün bağlı bulunduğu bütün kısmında ise kompresör, kasnak ve kayış sistemiyle bir elektrik motoruna bağlı olarak çalışır. Sistem havayı depolayacak bir tanka bağlıdır. Kompresöre gelen havadaki tozun tutulması için bir filtreye bağlıdır. Hava basıncını ayarlamaya yarayan bir basınç vanası ve basıncı gösteren bir manometreye bağlıdır. Ayrıca tank içinde yoğunlaşan suyu boşaltmak için su boşaltma musluğu vardır. Kompresörün depo içinde doğal olarak yoğunlaşan atmosfer gazı içindeki su buharı, daha sonra depo altındaki su tahliye vanaları ile atılır. Bu sayede bir kısım nemi tutmuş olan hava, kullanıma tekrar sunulmuş olacaktır. Şekil 2 Pistonlu kompresör 2.2.1.2. Döner Kompresörler Döner kompresör ise soğutucular ile beraber ana olarak küçük kesirli beygir güçlerinde kullanılmışlardır. Döner kompresör ticari soğutma sahasında 6

benimsenmemiştir. Bunun nedeni özellikle düşük emme basınçlarında çalışırken çok yüksek boşaltma basınçlarına karşı pompalamada verimsiz olmasıdır. Döner kompresörleri dört gruba ayırabiliriz Paletli (kanatlı) kompresörler Vidalı kompresörler Roots kompresörler Turbo kompresörler 2.2.2. Dinamik Kompresörler Havayı hızlandırıp oluşturduğu basınç farkıyla hızlı bir şekilde emip çıkış kısmına basan kompresörlerdir. Bu kompresörlerde dönen kanatların hız kazandırdığı hava, önde veya içeride vakum oluştururken arkada veya dışarıda yığılma dolayısıyla basınç oluşur. Önden emip arkaya basanlara eksenel kompresör, içten emip dışa basanlara ise radyal kompresör denir. Bazı kompresörler eksenel ve radyal kompresörün karışımıdır. Düşük basınçlı eksenel kompresörlerin kanatlarına veya rotoruna fan veya pervane denilmektedir. Yüksek basınçlı radyal veya radyal-eksenel karışımı kompresörlerin basınç oluşturan elemanına "impeller" denir. Bu tip santrifüj-turbo kompresörlerin impeller'leri emişinin olduğu ön/orta taraftan emerek aldığı havayı hızlandırarak çıkışının olduğu dış/arka tarafa savurması şeklinde çalışır. Bunun sonucu oluşan santrifüj kuvvet, gazları sıkıştırılarak daha hızlı bir şekilde taşınmasını sağlar. Uçak motorlarının kompresörleri eksenel kompresördür. Dinamik kompresörler yağsız kompresörlerdir. Dinamik kompresörler santrifüj ve eksenel kompresör olarak iki şekilde incelenebilir. 7

2.2.2.1.Santrifüj Kompresörler Kompresörün işlevi gelen havanın basıncını artırarak yanma ve güç çekme sürecinin daha verimli olmasını sağlamaktır. Basınç artarken hacim küçülür, böylece hava yakıt karışımı daha küçük bir hacimde yakılabilir. Hava pervanenin dönüş hareketi ile hızlandırılır. Daha sonra difüzörde yayılarak yavaşlatılır ve basıncı artılır. Difüzörde düzleşen akım manifoldda toplanarak dışarı fırlatılır. Santrifüj kompresörleri yüksek hızda dönen bir impellerin havaya enerji transfer ettiği dinamik kompresörlerdir. Rotor havanın basıncını değiştirir. Bu basınç sabit difüzörlerde (yayıcılarda) havanın hızını keserek kullanılabilir basınca dönüştürülür. İmpeller: 2-3 bar veya daha yüksek basınca uygun dizayn edilmiş fan, pervane, kanatlı rotor olarak adlandırılabilir. Santrifüj hava kompresörleri, tasarımı gereğince yağsız kompresörlerdir. İmpellerin yüksek hızda dönmesini sağlayan dişlileri yağlamak için kullanılan yağ ile havanın bağlantısı şaft contaları ve atmosferik havalandırma tertibatı kullanılarak kesilir. Santrifüj kompresör sürekli hizmet kompresörüdür, çok az sayıda hareketli parçasının olması avantajıyla özellikle yüksek hava debisi istenen uygulamalarda ve esas olarak yağsız hava gereken yerlerde kullanılmaya uygundur. Üç bileşeni vardır: İtici pervane (impeller) Difüzör Kompresör manifoldu 8

Şekil 3 Santrifüjlü kompresör 2.2.2.2. Eksenel Kompresör Eksenel kompresörler, bir rotor üzerine yerleştirilmiş kanatlar ve bir gövdeden oluşur. Kanatlar, emilen havayı hızlandırarak bir kinetik enerji kazandırır. Daha sonra bu enerji basınç enerjisine dönüşür. Bu tür kompresörlerde hava dönme eksenine paralel olarak hareket ederek helisel şekilde ilerler. Bu sırada da sürekli basınç artar. Bir anlamda çalışma sistemi türbinin tersine uygundur. Eksenel akımlı kompresörünün parçaları şunlardır: kısım Pervane veya türbin kanatları olan ve kompresörün iç cidarını meydana getiren Çıkış kısmını meydana getiren ve dönen kısmı destekleyen yatak bölümü Duran ve kompresörün dış cidarlarını meydana getiren kısım ( Montaj kolaylığı bakımından iki yarı daire şeklinde imal edilir. İçinde helisel olan ve pervane kısımlarıyla uyuşan kanallar mevcuttur.) Çalışması sırasında giren hava hızlandırılır ve daha sonra hızı düşürülür, bu arada Bernoulli ilkesine göre basınç yükselir. Birbirine eklenebilen bölümlerden ibaret olması, küçük hacim kaplaması, dönen kısımların merkezi olması ve bu sebepten merkezkaç kuvvetinin düşük olması bu türün tercih sebebidir. Hava sırayla dönen rotor kanatları ve duran stator kanatları arasından eksenel yönde akar. Her bir rotor ve stator kanadı seti bir kademeyi oluşturur. Akış yönünde akışın kesit alanı azalır. Kesit azaldıkça yoğunluk artar. Her kademe küçük bir sıkıştırma oranı sağlar. Yüksek sıkıştırma oranları için çok kademe kullanmak gerekir. 9

Eksenel kompresörler daha küçüktür ve santrifüj kompresörden daha düşük bir ön yüzey alanına sahiptir. En yüksek verim için kompresör sabit eksenel hızda çalışır. Daha fazla esneklik ve her kademenin daha düzgün yüklenmesi açısından yüksek sıkıştırma oranlı kompresörlerde iki farklı dönüş hızı olan ikili kompresör kullanılır. Şekil 4 Eksenel kompresör Eksenel kompresörler elektrik üretiminde etkin olarak kullanıldığı bilinmektedir. Alman Siemens firmasının 1350MW kapasiteli İstanbulda 1988'de kurduğu birleşik çevrim santral %52.5 ile kurulu santrallerden en verimlisidir. Aşağıdaki tabloda eksenel kompresörlerin karakteristik özelliği ve buna bağlı uygulama alanı verilmiştir. 2.3 Kullanım Alanlarına Göre Eksenel Kompresörler Tablo 1 Eksenel Kompresör Uygulamaları 10

3. MALİYET ANALİZİ BORASCO Elektrik Üretim sanayi ve Ticaret A.Ş. tarafından Samsun İli Terme İlçesi sınırları içerisinde toplam kapasitesi yaklaşık 899,37 MW olan bir enerji santralinin kurulması planlanmaktadır. Doğal gazın yakıt olarak kullanılacağı santral bir yılda yaklaşık 7796 GW saat elektrik üreteceği ön görülmektedir. Projenin amacı, düşük maliyetli ve yüksek verimliliğe sahip bir enerji üretim tesisi kurulması ve santralde üretilen elektrik enerjisinin enterkonnekte sisteme iletilerek enerji talebine hizmet vermesidir. Proje kapsamında kullanılan doğal gazın BOTAŞ tarafında işletilen Mavi Akım Doğal Gaz Boru Hattından temin edilmesi planlanmaktadır. Konuya ilişkin olarak BOTAŞ'a başvuru yapılarak, gaz alımı için en uygun lokasyon belirlenecektir. 3.1 Ekipman Seçimi Tek şaft (single shaft)- Buhar türbin jeneratörü Önerilen santralda, bir bloktaki gaz türbini, General Electric (GE) dizaynı ve üretimi, model tanımlanması PG9371 olan gaz türbinidir. General Electric'in gaz türbini teknolojisi, günümüz uygulamalarında ihtiyaç duyulan en düşük emisyonları karşılamak üzere geliştirilmiştir. Filmle kaplanmış ve çarpma esasına dayanan soğutmalı özel dizayn yanma odaları, yüksek ateşleme sıcaklıklarında dünya çapındaki çevresel gereksinimleri karşılayarak güvenilirliği yüksek çalışma sağlayabilir. GE, günümüzde ihtiyaç duyulan emisyon gereksinimleri için dünya çapında kuru düşük NOx, Seyrelticic Enjeksiyonu ve SCR (Seçici Katalik Azaltım) sistemlerinde en deneyimli üreticidir. 11

Gaz Türbini aynı şaft üzerinde dört ana kısımdan oluşmaktadır: 1. Hava Kompresörü, 2. Yanma Odaları, 3. Türbin, 4. Jeneratör (Buhar Türbini ile ortak şaftta) Filtrelerden geçirilen hava kompresörde sıkıştırılarak basıncı yükseltilir ve bu sıkıştırma sonucu sıcaklığı artar. Sıcak ve basınçlandırılmış hava yanma odalarında beslenen doğal gazı yakmakta kullanılır. Yanma sonucu oluşan sıcak gaz karışımı (1375-1400 C) 3 kademeli bir türbin içinden geçerek rotoru dakikada 3000 devirde (50 Hz) döndürür. Bu dönme hareketini sağlayan mekanik enerji 18 kademeli kompresör ve türbin ile aynı şaft üzerinde bulunan jenerörde elektrik enerjisine çevrilir. 4. SONUÇ ve ÖNERİLER 12

5. KAYNAKLAR [1] T.C. Milli Eğitim Bakanlığı "Kompresörler" MEGEP [2] T.C. Milli Eğitim Bakanlığı "Kompresörler" Kimya Teknolojisi 524K10101 [3] Borasco "Samsun Doğal Gaz Kombine Çevrim Santrali Projesi" ÇED Raporu 13