Gaz türbinlerinde performans arttırmak için uygulanan buhar enjeksiyonunun türbin kanatlarına etkisi ve maliyet analizi
The effect of the steam injection that is applied to increase performance at the gas turbines, to the turbine blades and cost analysis
Yazar: RUFİ ÖZGÜR
Danışman: PROF. DR. RECEP ÖZTÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buhar türbini = Steam turbine ; Doğal gaz enerji santrali = Natural gas power plant ; Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Elektrik üretimi = Electricity generation ; Enerji üretimi = Energy generation ; Gaz türbini = Gas turbine ; Güç türbini = Power turbine ; Isı geri kazanım sistemleri = Heat recovery systems ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Gelişmekte olan ülkelerdeki güçlü ekonomik büyüme ile birlikte elektriğe olan talep her geçen gün artmaktadır; ancak serbestleşen elektrik piyasaları, yüksek değişkenlik gösteren gaz fiyatları nedeniyle enerji üreticileri, enerji verimliliğini artırmak, üretim maliyetlerini azaltmak ve piyasa koşullarındaki değişime daha hızlı cevap verebilmek için uygun maliyetli yollar bulmaya çalışmaktadırlar.
Güç üretimi için yaygın olarak kullanılan kombine çevrim santrallerinde, özellikle gaz türbinleri pik yüklerin karşılanması için sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada, bilgisayar destekli analiz programı ile tasarlanan bir kombine çevrim santralinde buhar türbininden alınan bir miktar buharın, gaz türbini yanma odasına enjeksiyon yapılması sonucu hem türbinlerde hem de santral genelinde güç çıkışı ve performansta meydana gelen değişimler incelenmiştir.
Performans programından alınan veriler ışığında buhar enjeksiyonunun gaz türbini birinci sıra hareketli kanatların metal sıcaklığında meydana getirdiği değişim hesaplanmış, sıcaklık değişiminin kanatların servis ömrüne olan etkisi incelenmiştir.
Son bölümünde; buhar enjeksiyonu nedeniyle oluşan ilave maliyetler ile fazladan üretilen elektrik enerjisinden elde edilen gelirler kıyaslanarak çalışmaya ekonomik bir boyut kazandırılmıştır. Bu kapsamda yapılan hesaplamalarda enjeksiyon sisteminin ilk yatırım maliyeti, yakıt ve su gibi operasyonel maliyetler, bakım maliyetleri ile serbest piyasa elektrik satış fiyatlarının ortalamaları dikkate alınmıştır.
Bu çalışma ile; sabit yanma sıcaklığında çalışacak şekilde modellenen bir gaz türbininde ilgili kısıtlar çerçevesinde elektrik enerjisi üretimini maksimum yapacak buhar enjeksiyonu miktarı belirlenmiş; bu oranda yapılacak enjeksiyonun hem türbinde sağladığı ek enerji üretimi hem de gaz türbini birinci sıra hareketli kanatlarının servis ömrüne olan etkisi hesaplanmıştır. Böylece enjeksiyon sonucu santral genelinde oluşan gelirler ile giderler analiz edilerek tesisten elde edilebilecek net kâr/zarar gösterilmiştir. Bundaki amaç gaz türbini yanma odasına yapılacak olan bir buhar enjeksiyonu projesinin enerji üreticileri tarafında karşılık bulup bulamayacağının incelenmesidir.

Abstract:
In developing countries, demand for electricity is increasing every day with strong economic growth; however, due to freer electric markets and highly volatile natural gas prices, energy producer are investigating new cost-effective methods to increase energy efficiency, decrease production cost and respond to market condition changes in fast way.
Combined cycle plants, especially gas turbines, in power generation are commonly used for meeting peak load demands. In this study, power output and performance changes in both turbines and power plant are analysed after injecting steam collected from steam turbine to gas turbine combustion chamber in a combined cycle plant designed with computer aided analysis program.
Based on data collected from performance program, temperature change at first stage blade metals during steam injection is calculated and effect of this temperature change on blade service life is analysed.
In the last section, additional costs due to steam injection and income generated from excess electric energy are compared to provide an economic dimension to this study. Accordingly, in those calculations initial investment cost of injection system, operational costs such as fuel and water, maintenance costs and average of free market electric sales prices are considered.
With this study, steam injection amount that will maximise electric energy generation under related boundaries are identified for a gas turbine modelled to operate at constant combustion temperature; effect of this amount of injection both on additional energy generation on turbine and on first stage blade service life of gas turbine is calculated. This way, income and costs in the power plant due to injection are analysed and net profit/loss from the plant are presented. Purpose here is to analyse whether steam injection project to gas turbine combustion chamber is considered feasible for energy producer.