Dolaşımlı akışkan yataklı kazanlar için dağıtıcı plaka-nozül sisteminin modellenmesi
Modeling of distributor plate-nozzle system for circulating fluidized bed boilers
Yazar: MUSTAFA METİN ÇAM
Danışman: PROF. DR. CENK ÇELİK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Dolaşımlı akışkan yataklı (DAY) kazan teknolojisine sahip elektrik üretim santralleri özellikle esnek yakıt kullanımı imkan sağlaması ve düşük emisyon değerlerinde çalışmasından dolayı dünyada kullanımı hızla artmaktadır. DAY kazanında toplam havanın yaklaşık %40-60 gibi büyük oranı yatak tabanından plaka-nozul sistemi ile kazana beslenmektedir.  Plaka-nozul sisteminde kullanılan çok sayıda farklı nozul tasarımları olsa da DAY kazanının karakteristik özelliğine ve tasarımcının yaklaşımına göre tasarım geometrisi değişmektedir. Plaka-nozul sisteminde ince tasarım detayları DAY kazanda akışkanlaşmayı, yanma verimini, işletme sürekliliğini ve enerji sarfiyatını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışma, Türkiye'de linyit yakıtlı 2x160 MWe DAY Ünitesine sahip ÇAN Termik Santrali'nde (ÇTS) kullanılan birincil hava dağıtıcı çan tipi nozulun yeniden tasarlanarak tasarım geometrisinin optimize edilmesi hakkındadır. Öncelikle, sahada plaka-nozul sistemi boyunca ölçülen basınç kaybı verileri esas alınarak çan tipi nozulun ANSYS Fluent yazılımında oluşturulan sayısal modeli doğrulandı. Nozul modelinde basınç kayıplarını azaltmak ve orifis çıkışında hava hızını artırmak için mevcut nozulun tasarım geometrisi yenilendi. Yeni tasarlanan nozul modelinde orifis sayısına bağlı orifis çapı ve açısının basınç kaybına, çıkış hava hızına ve uniform dağılımına etkisi analiz edilerek tasarım geometrisi optimize edildi. Orifis sayısına bağlı optimum nozul modelde basınç kaybı ortalama 2,86 kPa azalırken orifis çıkış hava hızında ortalama 20 m/s artış sağlandı. Nozulda orifislerin 105°'lik açıyla tasarlanması sonucunda basınç kaybında ortalama %7,6 azalma ve orifis çıkış kesit alanında hıza bağlı uniform indeksinde %2 artış sağlandı. Sonuç olarak, yeni tasarlanan çan tipi nozulun ÇTS DAY kazanında kullanılması durumunda işleteme de geri akış riskini azaltacak ve bir ünitede yaklaşık 2,26 GWh/yıl enerji tasarrufu sağlayacaktır.

Abstract:
Electricity generation power plants with circulating fluidized beds (CFB) are increasing rapidly worldwide because they allow flexible fuel use and work at low emission values. It is 40-60% of the total air is fed to the CFB boiler through the plate-nozzle system. Although there are many different nozzle designs used in the plate-nozzle system, the design geometry changes according to the characteristic feature of the CFB boiler and the designer's approach. Minor details in plate-nozzle design can significantly affect fluidization, combustion efficiency, operating continuity, and energy consumption in the CFB boiler. This work is about optimizing the bell-type nozzle used in 2x160 MWe CFB Units in ÇAN Thermal Power Plant (CTPP) in Turkey. Firstly, the numerical model of the nozzle has been confirmed by comparing the measurement of pressure drop. The existing nozzle geometry has been redesigned to increase the air velocity outlet and reduce the pressure drop. The newly designed nozzle model has been optimized according to the effect of orifice diameter and angle depending on the number of orifices. In the optimum nozzle model, the pressure loss decreased by an average of 2.86 kPa, while about 20 m/s increase in velocity outlet has been achieved. The orifices angle of 105° at the nozzle model, a 7.6% reduction in pressure loss, and a 2% increase in the uniform index in the orifice outlet have been achieved. Finally, if the newly designed nozzle is used in one unit in the CTPP, it will provide energy savings of 2.26 GWh/year.