Doğalgaz basınç düşürme istasyonlarında gaz genleşme motoru kullanılarak elektrik enerjisi üretilmesi
Electricity production in natural gas pressure reduction by using turboexpanders
Yazar: EYÜP NUMAN AYTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. SÜLEYMAN HAKAN SEVİLGEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği = Petroleum and Natural Gas Engineering

Özet:
Doğalgaz uzun mesafeler boyunca 50-70 bar gibi yüksek basınçlarda taşınmaktadır. Kullanım alanlarının olduğu yerlerde ya da daha düşük basıçlı hatlara geçiş noktalarında, gaz basıncı düşürülmektedir. İletim istasyonlarında basınç 50-70 bar'dan, yüksek basınçlı ülke içi iletim hatlarında 15-40 bar'a (genellikle 25 bar) daha sonrasında ise orta basınclı ülke içi iletim hattında yaklaşık olarak 3 bar basıncına düşürülür.
Basınç düşürme işlemi kısılma vanaları ile yapılmaktadır. Bu nedenle, genişleme  ile açığa çıkan adyabatik iş  faydalı enerjiye dönüştürülemez. Çoğu gaz genişleme esnasında Joule-Thompson etkisinden dolayı soğumaktadır. Basınç düşümü esnasında gaz sıcaklığı, gazın bileşimi ve durumuyla değişim gösterecek şekilde, 1 bar basınç düşüşü ile 0,45-0,6 oC azalmaktadır. Basınç düşürülmesinde, sıvı ya da katı fazda yoğuşma oluşmaması için mutlak suretle ön ısıtma yapılması gerekmektedir.
Kısılma vanaları yerine gaz genleşme motorları kullanıldığı taktirde, genleşme esnasındaki açığa çıkan enerji elektrik üretiminde kullanılabilir. Gazın yaptığı iş, sahip olduğu entalpi değerinden gelmektedir ve gaz, türbine girdiğinde hızlıca soğumaktadır. Gaz genleşme motoru kullanıdığı taktirde gazın sıcaklığı, türbinin izantropik verimine, gazın içeriğine ve durumuna bağlı olarak, 1 bar basınç düşüşü ile yaklaşık 1,5-2 oC azalmaktadır. Genleşme türbini kullanıldığı taktirde, gaz çıkışındaki sıcaklık hidrat bölgesi sıcaklığı ve çiğlenme noktası sıcaklığının üstünde kalmalıdır. Buradan anlaşılan, kısılma vanasına 55-85 oC arası sıcaklık ile giren gaz, genleşme motoru kullanıldığı taktirde bu sıcaklık değerlerinin üstünde bir sıcaklığa ön ısıtma ile getirilmelidir. Bu sayede istasyonun ve gaz genleşme motoru ile beraberinde kurulacak ekipmanın güvenilirliği garanti altına alınmalıdır.
Gaz genleşme motoru ve beraberinde kurulan jeneratör sistemi ile   basınç düşürme istasyonlarına giren gazın genleşme enerjisinden faydalanarak elektrik üretimi yapılmaktadır. Bu uygulamanın ülkemizde ve dünyada çeşitli örnekleri bulunmaktadır. Bu kurulan sistem sayesinde basınç düşürme istasyonlarında gaz genleşme esnasında kaybolan enerji verimli olarak dönüştürülmektedir.

Abstract:
Natural gas is transported for longer distances through transit pipeline at high pressures (50 - 70 bar). In a place of consumption or at passing into a lower pressure pipeline the pressure of the gas must be reduced. In transmitting stations the pressure must be reduced from 50-70 bar to 15-40 bar (usually to 25 bar) into high pressure intrastate pipeline, then to approximately 3 bar into medium pressure intrastate pipeline.  
Standardly, gas pressure reduction is accomplished in throttle-valves, where the isenthalpic expansion takes place without producing any energy.  Most gases cool during the expansion (Joule-Thompson effect). The temperature drop in natural gas is approx. 0.45-0.6°C per 1 bar, depending on gas composition and state. The gas must be preheated before the expansion to ensure that no liquid or solid phase condenses at the output temperature.  
When an expansion turbine driving a generator is used in place of the throttle valve, the energy in the gas can be used to produce electricity. The work the gas performs is gained from its internal energy (enthalpy) and the gas cools rapidly in the turbine. The temperature drop in the expansion turbine is approx. 1.5-2°C per 1 bar of pressure drop in transmitting stations from transit pipeline depending on gas composition and state, and on turbine's isentropic efficiency. When using an expansion turbine, gas outlet temperature must remain above hydrate zone and dew point. This means the gas must be pre-heated before it enters the turbine to temperatures higher than when using throttle valves, usually to 55-85°C. Reliability of the pressure regulating and reduction stations must be assured, and therefore the expansion  turbines are installed parallel to existing conventional pressure reducing valves.  
In the pressure reduction stations by using expansion turbine and generator system, electricity can be produced with the expansion energy of natural gas. This application has already many samples in our country and also in all aroud the world. With using this system the lost energy by gas expansion can be returned effectively to electricity.