Enerji üretim tesisleri için düşük maliyetli gaz kaçak tespit otomasyon sistem tasarımı ve uygulaması
Low cost gas leak detection automation system design and application for energy generation plants
Yazar: HÜSEYİN YÜKSEL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT AYAZ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerji üretim ve dönüşüm santrallerinde, endüstride ve kimyasal depolama tesislerinde üretim,  depolama ve boru hatlarında, insan sağlığını ve çalışma ortamını olumsuz şekilde etkileyen tehlikeli gazlar açığa çıkabilmektedir. Gaz ve sıvılardan oluşan kaçaklar zehirlenme, ölüm tehlikesi, patlayıcı ortam oluşması,  yangın gibi istenmeyen durumlara sebep olmaktadır. Bu gibi olumsuz durumları en kısa sürede tespit edebilmek için sürekli olarak ortam gaz seviye ölçümü ve tespiti endüstriyel otomasyon sistemleri ile yapılmaktadır. Bu tür sistemlerde kullanılan gaz algılama sensörleri, aynı anda yalnızca birkaç farklı türde gaz bileşenini sınırlı mesafelerden algılayabilmektedir. İşletme alanın büyük ve ortaya çıkabilecek tehlikeli gaz türlerinin fazla sayıda olması, sensör sayısının artmasına neden olmaktadır. Bu durum, daha karmaşık bir kontrol yapısını ve daha yüksek yatırım ve işletme maliyetlerini ortaya çıkarmaktadır. Bu çalışmada, sensör tabanlı, dağınık kontrol yapılı bu tür geleneksel sistemlere alternatif oluşturacak daha düşük maliyetli, tek noktadan periyodik ölçüm tabanlı gaz kaçağı tespit otomasyon sistemi önerilmektedir.  
Geleneksel gaz kaçak tespit sistemlerinde, ölçüm yapılacak alanda gaz kaçağı muhtemel noktalara gaz bileşenlerine bağlı olarak farklı sensörlerden oluşan sensör seti yerleştirilmektedir. Önerilen gaz kaçak tespit sisteminde ise geleneksel sistemlerin aksine belirlenen ölçüm noktalarına sensör setleri yerleştirmek yerine her bir ölçüm noktasından hava numuneleri merkezi bir noktaya belirli periyotlar ile alınarak analiz edilmektedir. Merkezi ölçüm noktasına tek bir sensör seti yerleştirilerek ölçüm noktalarından hava numuneleri borular ile merkez noktasına taşınmaktadır. Ölçüm nokta sayısı ve gaz bileşen türleri arttıkça geleneksel sistemde kullanılması gerekli olan sensör sayısı artarken, önerilen sistemde ise gaz bileşen sayısına bağlı olarak çok az sayıda artış gerçekleşmektedir. Bu durum önerilen sistemi kurulum ve işletme maliyeti açısından oldukça avantajlı kılmaktadır. Önerilen sistem, beş ayrı noktadan ölçümün gerçekleştirileceği 4000m3 hacimli bir kimyasal depolama tesisi için tasarlanmaktadır. Ölçüm periyodu, boru çapı, fan gücü, kabin ölçüleri, akış hızı vb. tasarım parametreleri ölçüm noktalarının sayısı ve merkez ölçüm noktasına uzunlukları dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Tasarlanan sistem ilgili tesiste kurularak deneysel çalışma performans verileri elde edilerek geleneksel sistem verileri ile karşılaştırılmıştır. Deneysel veriler önerilen sistemin geleneksel sistemle benzer performansa sahip olduğunu ve tasarım parametrelerini doğrulamaktadır. Kurulum ve işletme maliyeti açısından önerilen sistem, geleneksel sisteme kıyasla %75 oranında daha düşük bir maliyete sahiptir. Dahası, önerilen sistemde, sensör biriminin ölçüm sahasının dışına yerleştirilmesi sayesinde güvenlik riskleri, yangına sebep olabilecek ateşleyici faktörünün ortadan kaldırılması ile azaltılmıştır.

Abstract:
Hazardous gases can be released in power generation and conversion plants, industry and chemical storage facilities, in production, storage and pipelines, which adversely affect human health and the working environment. Leakage from gases and liquids can lead to undesirable situations such as poisoning, death, explosive atmosphere and fire. In order to detect such negative conditions in the shortest possible time, ambient gas level measurement and detection is continuously performed by industrial automation systems. The gas detection sensors used in such systems are able to detect only a few different types of gas components at a limited distance at a time. The large number of operating areas and the large number of hazardous gas types that may arise can lead to an increase in the number of sensors. This results in a more complex control structure and higher investment and operating costs. In this study, a more cost-effective, one-point periodic measurement based gas leak detection automation system is proposed as an alternative to traditional sensor based distrubuted control systems.
In conventional gas leak detection systems, a sensor set consisting of different sensors is placed at each point where gas leakage is possible in the measurement area depending on the gas components. In the proposed gas leak detection system, in contrast to conventional systems, instead of placing sensor sets at the determined measurement points, air samples are taken from each measurement point to a central point and analyzed periodically. A single sensor set is placed at the central measuring point and air samples are transported from the measuring points to the central point by pipes. As the number of measurement points and types of gas components increase, the number of sensors required to be used in the conventional system increases, while the proposed system increases slightly depending on the number of gas components. This makes the proposed system very advantageous in terms of installation and operating costs. The proposed system is designed for a chemical storage facility with a volume of 4000 m³ where measurements from five different points will be carried out. Measurement period, pipe diameter, fan power, cabin dimensions, flow rate and etc. Design parameters are calculated taking into account the number of measuring points and their lengths to the central measuring point. The designed system was installed in the facility and experimental performance data were obtained and compared with the traditional system data. Experimental data confirm that the proposed system has similar performance to the traditional system and suitible of the design parameters. In terms of installation and operating costs, the proposed system has a 75% lower cost than the traditional system. Furthermore, in the proposed system, the safety risks are reduced by eliminating the igniter factor that may cause a fire by placing the sensor unit outside the measuring range.