Gaz türbinlerinde giriş havasının ters brayton çevrimi ile soğutulmasının analizi
Analysis of inlet air cooling via reverse brayton cycle in gas turbines
Yazar: MEHMET MELİH BEKLER
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gaz türbini kullanılan elektrik üretim santrallerinde karşılaşılan en büyük sorunlardan birisi ortam havası sıcaklığının artmasına bağlı olarak sistemden üretilen net gücün azalmasıdır. Sistemden elde edilen güç düşüşünün önlenmesi ve net gücün artırılması için özellikle sıcak iklim koşullarına sahip bölgelerde kullanılan sistemlerde, gaz türbini kompresörünün giriş havasının soğutulması yaygın kullanılan bir uygulamadır. Gaz türbini kompresör giriş havasının soğutulması amacıyla kullanılan yöntemler arasında sisleme, evaporatif soğutma, buhar sıkıştırmalı soğutma ve absorpsiyonlu soğutma sayılabilir. Geleneksel olarak kullanılan bu soğutma tekniklerinin yanında alternatif soğutma teknikleri de denenmektedir. Bu çalışmada, uçaklarda kabin iklimlendirmesi için kullanılan Ters Brayton çevrimi, açık tip gaz türbini çevriminin kompresör giriş havasının soğutulması amacıyla çevrime entegre edilerek termodinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Ters Brayton çevrimi entegre edilmiş gaz türbini çevriminin analizleri kompresör giriş havası sıcaklığı, kompresör giriş havası bağıl nemi ve basınç oranı parametrelerine bağlı olarak Engineering Equation Solver (EES) paket programı yardımı ile yapılmıştır. Ayrıca Ters Brayton çevriminin başka bir soğutma yöntemi ile karşılaştırılması için aynı analizler sisleme yöntemi için de yapılmıştır. Çalışmada kullanılan parametreler, dış ortam bağıl nemi %10-90, dış ortam sıcaklığı 10-50°C, gaz türbini basınç oranı 2-13 ve Ters Brayton çevirimi basınç oranı 1,1–1,8 aralığında olacak şekilde incelenmiştir. Sonuç olarak, dış ortam sıcaklığının 45°C, dış ortam bağıl neminin %60, gaz türbini çevrimi basınç oranının 12,2 ve Ters Brayton çevrimi basınç oranının 1,5 olduğu koşullar altında gaz türbini kompresör giriş havasının soğutulması amacıyla Ters Brayton çevrimi entegre edilmiş gaz türbini çevrimin, tek başına gaz türbini çevrimine göre %7,96 güç artışı sağlarken ve termal verimin %0,15 azaldığı gösterilmiştir. Aynı koşullar altında sisleme yöntemi ile soğutma gerçekleştiğinde ise tek başına gaz türbini çevrimine göre %5,52 güç artışı ve %0,7 termal verim artışı sağlamaktadır.

Abstract:
One of the biggest problems encountered in power generation plants using gas turbines is the decrease in the net power produced from the system due to the increase in ambient air temperature. It is a common practice to cool the inlet air of the gas turbine compressor, especially in systems used in regions with hot climates, to prevent power capacity drop from the system and increase the net power. Fogging, evaporative cooling, vapor compression cooling, and absorption cooling are among the methods used for inlet air cooling in gas turbine systems. In addition to these traditionally used cooling techniques, alternative cooling techniques are also being in research. In this study, thermodynamic analyzes were carried out by integrating the Reverse Brayton cycle, which is used for cabin air-conditioning in aircrafts, into the cycle for cooling the compressor inlet air of the open type gas turbine cycle. The analysis of the Reverse Brayton cycle integrated gas turbine cycle was performed with the aid of the Engineering Equation Solver (EES) code, depending on the compressor inlet air temperature, compressor inlet air relative humidity, and pressure ratio parameters. In addition, the same analyzes were performed for the fogging method to compare the Reverse Brayton cycle with another inlet air cooling method. Parameters used in the study are, ambient relative humidity 10-90%, ambient temperature 10-50°C, gas turbine pressure ratio 2-13, and Reverse Brayton cycle pressure ratio 1.1-1.8. As a result, Reverse Brayton cycle integrated gas turbine cycle for the purpose of the inlet air cooling the gas turbine compressor under conditions where ambient temperature is 45°C, ambient relative humidity is 60%, the gas turbine cycle pressure ratio is 12.2, and the Reverse Brayton cycle pressure ratio is 1.5, it has been shown that it provides a 7.96% power increase and 0.15% decrease in thermal efficiency compared to the gas turbine cycle alone. When cooling with the fogging method under the same conditions, it provides a power increase of 5.52% and thermal efficiency increase of 0.7% compared to the gas turbine cycle alone