Gaz türbinlerinin termoekonomik perfromansına etki eden parametrelerin analizi ve optimizasyonu
Analysis and optimization of the parameters affecting the thermoeconomic performnace of gas turbines
Yazar: YALÇIN DURMUŞOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. YASİN ÜST
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde enerjinin verimli kullanılması dünyanın en güncel sorunlarından biri haline gelmiştir. Bu nedenle, enerji verimliliği ile ilgili konularda yapılan bilimsel çalışmalar her geçen yıl artan bir hızla devam etmektedir. Enerji verimliliği, enerji kaynaklarının israf edilmeden, birim güç üretimi miktarı başına enerji tüketiminin azaltılmasıdır. Enerji konusunda yapılan termodinamik çalışmalar, enerjinin nitelik ve niceliği hakkında fikir verirken, üretilen enerjinin verimliliği hakkında somut bir yaklaşım sağlayamamaktadır. Bu konuda atılan adımlar ve yapılan çalışmalar neticesinde termoekonomik adı altında yeni bir bilim alanı doğmuştur. Minimum maliyetle maksimum enerji üretimi için kendine ait analiz ve optimizasyon yöntemleri bulunan termoekonomi, termodinamik bilimi ile enerji ekonomisi biliminin temellerinden oluşmuştur. Literatürde termoekonomik analizlere dayanan çalışmalar genellikle güç tesislerinde birim enerji üretimine etki eden termodinamik parametrelerin maliyetlerle olan ilişkilerini gözönüne alan analizleri kapsamaktadır. Ancak bu yöntemler de, güç tesislerinin enerji verimliliği analizlerinde yeterli olamamaktadır. Günümüz dünyasının en önemli problemlerinden bir diğeri de küresel ısınmadır. Dünya ülkelerinin son yıllarda üzerinde ciddi olarak çalışılan küresel ısınma probleminin temelinde fosil yakıtların verimsiz tüketimleri yatmaktadır. Birincil enerji üretim kaynaklarının başında gelen fosil yakıtlar, güç üretim tesislerinde enerji üretimi için kullanılmaktadırlar. Hava kirliliğinde en önemli rolü oynayan fosil yakıtlar, yalnızca üretim ve taşıma maliyetleri ile değil, aynı zamanda doğal çevreye ve tüm canlılar üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı çevresel maliyetleri ile de dikkat çekmektedirler. Çok büyük bir küresel tehdit haline gelen çevresel kirliliğin doğurduğu bu maliyetler, bilim adamları tarafından dikkate alınmaya başlanmıştır. Konu ile ilgili literatür incelendiğinde, çevresel maliyetler adı altında yapılan çalışmaların çoğunlukla, ?Dışsal Maliyet? ya da ?Sosyal Maliyet? adı altında ele alındıkları ve tek bir maliyet bileşeni olarak değerlendirildikleri göze çarpmaktadır. Güç tesislerinde üretilen birim enerji maliyetlerinin analizlerinde çevresel maliyetlerinin de göz önüne alınması zorunluluk haline gelmiştir. Ancak çevresel maliyetler, termoekonomik modellerde kapsam dışında tutulmuş ve mevcut termoekonomik analiz ve optimizasyon yöntemlerinin içerisinde değerlendirilme-mişlerdir. Bu durum güç tesislerinin çevreye olan olumsuz etkilerinden dolayı ortaya çıkan çevresel maliyetlerin analizine imkan vermemektedir. Bu çalışmada bir çevresel maliyet modeli önerilmiş ve bu model klasik termoekonomik modele, sonlu zaman termoekonomik modele ve ekserjoekonomik modele entegre edilerek analizler yapılmıştır.Bu tezde önerilen çevresel maliyet modeli, enerji üretimi için tüketilen fosil yakıtların atmosfere saldığı egzoz gazlarından kaynaklanan maliyetler olarak tanımlanmıştır. Böylece toplam maliyet, yakıt maliyeti, ilk yatırım maliyetleri, işletme-bakım maliyetleri ve çevresel maliyet bileşenlerinden oluşturulmuştur. Bu sayede güç üretim tesislerinde birim enerji üretimi için, çevresel maliyetlere de yer verilerek, çevresel etkilerin nümerik olarak incelenmesine imkan tanınmıştır. Çevresel maliyet modelleri, tez içerisinde üç ayrı bölüm halinde ele alınmış ve teorik olarak kapalı çevrimli, rejeneratörlü ve basınç kayıplı tersinmez bir gaz türbinli tesise uygulanarak, gaz türbinlerinin termoekonomik performansına etki eden parametrelerin analiz ve optimizasyonu konusunda nümerik çalışmalar yapılmıştır. Kullanılan model tesisin optimizasyonu amacıyla, birim maliyet başına tesisin net güç çıktısı şeklinde bir amaç fonksiyonu tanımlanmıştır.Tez beş bölümden oluşmaktadır. Çevresel maliyet ve enerji üretim tesisleri hakkındaki genel bilgiler birinci bölümde, klasik termoekonomik modele göre analiz ve optimizasyon çalışmaları ikinci bölümde yapılmıştır. Üçüncü bölümde sonlu zaman termodinamiğine dayalı termoekonomik yaklaşım yöntemi kullanılmıştır. Burada çevresel maliyet, toplam maliyetin bir bileşeni olarak, tesisin birim enerji başına entropi üretimi ve birim entropi üretim maliyeti parametreleri ile tanımlanmıştır. Dördüncü bölümde ise ekserjoekonomik analiz yöntemine göre çalışmalar yapılmıştır. Toplam ekserji maliyetleri, akım hatları ekserji maliyetleri, yakıt ekserji maliyeti, ekserji bozunum maliyeti ve çevresel ekserji maliyeti bileşenlerinden teşekkül etmiştir. Toplam ekserji maliyeti içerisinde yer verilen çevresel ekserji maliyeti, egzoz gazlarının kimyasal ekserjilerini içeren bir maliyet bileşeni olarak tanımlanmıştır. Bu amaçla egzoz gazlarının ekserji değerleri ile egzoz gazı birim ekserji maliyetleri parametre olarak kullanılmıştır. Bu bölümde termoekonomik amaç fonksiyonu, birim toplam ekserji maliyeti başına tesisin net güç çıktısı şeklinde ifade edilmiştir. Analizlerde tesisin tasarım parametrelerinin, termoekonomik performansa olan etkileri araştırılmış ve elde edilen bulgular tezin beşinci bölümünde genel sonuçlar kısmında tartışılmıştır. Tüm bölümlerde optimizasyon amacıyla termoekonomik amaç fonksiyonu, tesisin net güç çıktısının toplam maliyete oranı şeklinde tanımlanmıştır. Elde edilen denklemler FORTRAN programlama dilinde kodlanarak nümerik çözümler gerçekleştirilmiştir ve grafiksel sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
Nowadays, utilizing energy in an efficient way has become one of the most current problems of the world. Therefore, studies related to energy efficiency are decreasing the energy consumption per unit energy production without wasting the energy sources. Thermodynamic studies based on energy provide information about the quality and the quantity of the energy, but they don?t supply a concrete approach for the efficiency of the produced energy. As a result of studies, a new science field has emerged so-called thermo-economics. Thermoeconomics, that has the optimization and analysis methods for the maximum energy production by the minimum energy cost, was composed of thermodynamics and energy-economics. Thermoeconomics studies in the literature are generally analyzing the interrelation of thermodynamic parameters of unit energy production with the energy cost. However, these studies are not sufficient for energy efficiency analysis as well. Another contemporary problem of our world is the global warming. There are many serious studies on it. The main reason of the global warming is not consuming the fossil fuels efficiently. Fossil fuels are the primary energy sources and they are used for energy production in power plants. Fossil fuels which have the greatest effect on air pollution are attracting the attentions not only for the highest production and transportation costs but also for their environmental costs due to destructive effect on nature and the organisms. Scholars started to take into consideration of the costs caused by the environmental pollution which was getting a global threat. But, the majority of the work of the environmental costs in the literature mostly considered for the analysis of the external or social costs and they are evaluated as a single cost component. The environmental costs should be included in the unit energy costs produced by the power plants. However, the environmental costs are excluded in the thermo-economic models and they are not considered inside the thermo-ecenomic analysis and optimization procedures. This situation does not permit to analyze the environmental costs due to negative effects of power plants on the environment. In this work, an environmental cost model is proposed and has been integrated into the classical thermo-economic model, the finite time thermo-economic model and exergo-economic analysis methods. The proposed environmental cost model in this study is based on the cost due to air pollution caused by the harmful exhaust gases emitted into the atmosphere by the combustion of fossil fuels. Therefore, the total cost is composed of the fuel costs, initial costs, maintenance costs, and environmental cost components. Thus, numerical analysis of the environmental effects became possible by including the environmental costs into the model for unit energy production of the power plants. The environmental cost models are addressed in three different sections of the dissertation and theoretical application of the closed-cycle, regenerative and non-ideal (with pressure loss) irreversible gas turbines are carried out and numerical studies for the analyses and optimization of the parameters that affect the thermo-economic performance are carried out for the gas turbines. An objective function is defined as the plant?s net power output of unit cost for the optimization of the model power plant. The dissertation consists of five chapters. The general information about the environmental cost and power plants are given in the Chapter 1. Analyses and the optimization according to the classical thermo-economic model are performed in Chapter 2. In Chapter 3, thermo-economics approach method based on the finite time thermodynamics is utilized, where; the environmental cost is defined as a component of the total cost by the unit entropy generation and the unit entropy generation cost of the plant. In Chapter 4, the exergo-economics analyses method is applied. The total exergy cost is composed of the stream line exergy costs, fuel exergy costs, exergy destruction costs, and the environmental exergy cost components. The environmental exergy cost is defined as a cost component which includes the chemical exergy of exhaust gasses. Exhaust gas exergy values and exhaust gas unit exergy costs are used as parameters for this purpose. In this chapter, thermo-economic objective function is defined as the unit total exergy cost per net power output of plants. Effect of design parameters of the gas turbine power plant on thermoeconomic performance is investigated and the results are discussed in Chapter 5 in ?Conclusions? section. The thermo-economic objective function for the optimization purpose is defined as the ratio of power plants net power output to total cost in all chapters. Numerical results are obtained by using FORTRAN programming language and the results are presented by graphics.