Kojenerasyon sistemlerinin enerji, kullanılabilirlik (ekserji) ve ekserjiekonomik analiz yöntemleri kullanılarak performansının değerlendirilmesi
Performance assessments of cogeneration systems using energy, exergy and exergoeconomic analysis methods
Yazar: ÖZGÜR BALLI
Danışman: DOÇ. DR. HAYDAR ARAS ; PROF. DR. ARİF HEPBAŞLI
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Isıl sistemlerin tasarım, modelleme, performans değerlendirmesi ve optimizasyonunda; termodinamik metodoloji olarak enerji ve ekserji analizi, termoekonomik metodoloji olarak ekserjiekonomik analiz yöntemleri yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu tezde, Eskişehir'de kurulu bulunan gaz türbin motorlu kojenerasyon (CHP) ve gaz-dizel motorlu trijenerasyon (TRIGEN) sistemlerinin enerji, ekserji ve ekserjiekonomik analiz yöntemleri kullanılarak performans değerlendirmesi yapılmıştır.Performans değerlendirmeleri temelinde, CHP sisteminin enerji verimi % 40.78, yakıt enerjisi tasarruf oranı % 34.14, güç-ısı oranı 4.4; ekserji performans parametrelerinden ekserji verimi % 39.22, yakıt ekserjisi tasarruf oranı % 33.94, ekserji terimleriyle güç-ısı oranı 13.12 olarak hesaplanmıştır. CHP sistemindeki en yüksek enerji kaybı 26452.4 kW (yakıt enerjisinin % 20.77'si) ile kondenser'de, en yüksek ekserji yıkımı ise 53812.15 kW (yakıt ekserjisinin % 40.64'ü) ile yanma odasında meydana gelmektedir. CHP sisteminin girişindeki doğal gazın birim ekserji maliyeti 11.22 $/GJ iken üretilen ürünlerin ortalama birim ekserji maliyeti ise 33.05$/GJ olarak bulunmuştur.TRIGEN sisteminin enerji verimi % 58.97, yakıt enerjisi tasarruf oranı % 24.90, güç-ısı oranı 1.22; ekserji performans parametrelerinden ekserji verimi % 36.13, yakıt ekserjisi tasarruf oranı % 24.64, ekserji terimleriyle güç-ısı oranı 6.22 olarak hesaplanmıştır. TRIGEN sistemindeki en yüksek enerji kaybı 1551.92 kW (yakıt enerjisinin % 8.5'i) ile egzoz gazlarında, en yüksek ekserji yıkımı ise 9621.76 kW (yakıt ekserjisinin % 50.76'sı) ile motorda meydana gelmiştir. TRIGEN sisteminin girişindeki doğal ve dizel yakıtın ortalama birim ekserji maliyeti 15.62 $/GJ, üretilen ürünlerin ortalama birim ekserji maliyeti ise 46.57 $/GJ olarak belirlenmiştir.Bu tezde; ekserjiekonomik analizde yakıtın birim ekserji maliyeti kullanılmıştır ve ekserji akımına sahip olmayan maliyetlerin hesaplanması için giydirilmiş maliyet yöntemi seçilmiştir. Bu çalışmada; giren enerji kayıp oranı, giren ekserji tüketim oranı, ekserji terimleriyle güç-ısı oranı ve yakıt ekserjisi tasarruf oranı parametreleri ilk defa geliştirilmiş olup CHP ve TRIGEN sistemi uygulamaları için kullanılmıştır.Anahtar Kelimeler: kojenerasyon, trijenerasyon, enerji analizi, ekserji analizi, ekserjiekonomik analiz, performans parametreleri

Abstract:
The energy and exergy analysis as thermodynamic methodology and the exergoeconomic analysis as thermoeconomic methodology have been widely used in design, modeling, performance evaluation and optimization of thermal systems. In this thesis, the performance assessments of the cogeneration (CHP) system with gas turbine engine and the trigeneration system with the gas-diesel engine located in Eskişehir were performed using the energy, the exergy and the exergoeconomic analysis methods.Based on the performance assessments, the energy efficiency, the fuel energy saving ratio, the power-to-heat ratio, the exergy efficiency, the fuel exergy saving ratio, the power-to-heat ratio in exergy terms of the CHP system were calculated to be 40.78%, 34.14%, 4.4, 39.22%, 33.94% and 13.12, respectively. The highest energy losses and exergy consumption in the CHP system occured in the condenser with 26452.4 kW (20.77% of fuel energy) and the combustion chamber with 53812.15 kW (40.64% of fuel exergy), respectively. The average unit exergy cost of the products of the CHP system was estimated to be 33.05 $/GJ while the unit exergy cost of the natural gas at the inlet of the system was 11.22 $/GJ.The energy efficiency, the fuel energy saving ratio, the power-to-heat ratio, the exergy efficiency, the fuel exergy saving ratio, the power-to-heat ratio in exergy terms of the TRIGEN system were estimated to be 58.97%, 24.90%, 1.22, 36.13%, 24.64% and 6.22, respectively. The highest energy losses and exergy consumption in the TRIGEN system occured in the exhaust gases with 1551.92 kW (8.5% of fuel energy) and the engine with 9621.76 kW (50.76% of fuel exergy), respectively. The average unit exergy cost of the products of the TRIGEN system was determined to be 46.57 $/GJ while the average unit exergy cost of the natural gas and diesel fuel at the inlet of the system was 15.62 $/GJ.In this thesis, the unit exergy cost of the fuel in the exergoeconomic analysis was used and the vested cost method in the calculation of costs of non-exergy rates was applied. The performance parameters such as the input energy loss ratio, the input exergy consumption ratio, the power-to-heat ratio with exergy terms and the fuel exergy saving ratio were firstly developed and used for the applications of the CHP and TRIGEN systems in this study.Key words: cogeneration, trigeneration, energy analysis, exergy analysis, exergoeconomic analysis, performance parameters