Endüstriyel tesislerde mikro buhar türbinleri kullanılarak elektrik üretiminin termo-ekonomik incelenmesi
Thermo-economic investigation of power generation using micro steam turbines in industrial facilities
Yazar: İBRAHİM AKGÜN
Danışman: DOÇ. DR. ŞABAN PUSAT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buhar türbini = Steam turbine ; Güç sistemleri = Power systems ; Isıtma sistemleri = Heating systems ; Termoekonomik analiz = Thermoeconomic analysis

Özet:
Buhar, endüstriyel tesislerde sıklıkla kullanılmaktadır. Prosesler incelendiğinde ise farklı basınçlarda buharın kullanıldığı görülmektedir. Tesiste farklı basınçlarda buhar ihtiyacı olduğunda genellikle basınç düşürücü kullanılmaktadır. Buhar kazanında yüksek kaliteye çıkarılan buharın basınç düşürücü ile daha düşük kaliteye indirilmesi durumu uygun değildir. Bu durumun çözümü olarak mikro buhar türbinlerinin kullanımı mümkün olabilmektedir. Basınç düşürücü yerine mikro buhar türbini kullanılması ile ilave elektrik üretilebilmektedir. Mikro türbin kullanımı durumunda, tesisteki prosesler aynı şekilde devam edebilmektedir. Bu çalışmanın amacı, farklı basınçlarda buhar kullanan tesislerde basınç düşürücü yerine mikro türbin kullanımının termo-ekonomik analizi için bir model geliştirmektir. Geliştirilen modelde iki farklı senaryo bulunmaktadır. İlk senaryoda, tesisteki mevcut kazanının kullanıldığı ve mikro türbin yatırımı yapıldığı kabul edilmiştir. Bu senaryoda, ek yakıt tüketimi olmadan mikro türbin ile elektrik üretimi mümkündür. İkinci senaryoda ise tesisin ihtiyacı olan buhar miktarından daha büyük kapasitede kazan ile birlikte mikro türbin kullanıldığı düşünülmektedir. Bu senaryoda ise, hem büyük kapasiteli seçilen kazan hem de mikro türbin için yatırım yapılacağı değerlendirilmiştir. İki farklı senaryoya göre geliştirilen model örnek çalışmalarla analiz edilmiştir. Yapılan örnek çalışmalarda tesisin 10 bar basınç ve 5 ton/h buhar kapasitesinde olduğu ve buharın 5 bar'a düştüğü kabul edilmiştir. Diğer taraftan, çalışma saati, eskalasyon oranı, iskonto oranı, türbin giriş-çıkış basıncı ve buhar debisi parametreleri için duyarlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk senaryoda yapılan çalışmalarda, türbinden 44,35 kW elektriksel güç üretilebildiği, yatırımın net bugünkü değerinin 7.558.132 TL, iç karlılık oranının %41,17 ve geri ödeme süresinin 4 yıl 11 ay olduğu belirlenmiştir. İkinci senaryoda yapılan çalışmalarda ise, türbinden 89,51 kW elektriksel güç üretilebildiği, yatırımın net bugünkü değerinin 7.260.836 TL, iç karlılık oranının %31,62 ve geri ödeme süresinin 8 yıl 1 ay olduğu belirlenmiştir. İncelenen örnek çalışmalarda, çalışma saati, eskalasyon oranı ve iskonto oranının yüksek duyarlılığa sahip olduğu görülmüştür. Türbin giriş-çıkış basınçları arasındaki fark ve buhar debisinin artması ile türbinde üretilen gücün arttığı ve daha ekonomik hale geldiği belirlenmiştir.

Abstract:
Steam is frequently used in industrial facilities. When the processes are examined, it is seen that steam is used at different pressures. When the facility needs steam at different pressures, a pressure reducer is generally used. It is not appropriate to reduce the steam raised to high quality in the steam boiler to a lower quality with a pressure reducer. As a solution to this situation, it is possible to use micro steam turbines. Additional electricity can be generated using a micro steam turbine instead of a pressure reducer. In the case of using micro turbines, the processes in the facility can continue in the same way. This study aims to develop a model for the thermo-economic analysis of using micro turbines instead of pressure reducers in plants using steam at different pressures. There are two different scenarios in the developed model. In the first scenario, it is assumed that the existing boiler in the facility is used, and a micro turbine investment has been made. In this scenario, electricity generation with a micro turbine is possible without additional fuel consumption. In the second scenario, it is thought that a micro turbine is used together with a boiler with a larger capacity than the amount of steam needed by the facility. In this scenario, it is considered that investment will be made for both the large-capacity boiler and the micro turbine. The model developed according to two different scenarios was analyzed with case studies. In the case studies, it has been assumed that the facility has a pressure of 10 bar and a steam capacity of 5 tons/h, and the steam drops to 5 bar. On the other hand, sensitivity analyses were performed for working hours, escalation rate, discount rate, turbine inlet-outlet pressure, and steam flow rate. The studies conducted in the first scenario determined that 44,35 kW of electrical power could be produced from the turbine. The investment's net present value was 7.558.132 TL, the internal rate of return was 41,17%, and the payback period was 4 years and 11 months. In the studies carried out in the second scenario, it has been determined that 89,51 kW of electrical power can be produced from the turbine, the net present value of the investment is 7.260.836 TL, the internal rate of return is 31,62%, and the payback period is 8 years and 1 month. The sample studies observed that the working hours, escalation rate, and discount rate had high sensitivity. It has been determined that the difference between turbine inlet-outlet pressures and the steam flow rate increase the power produced in the turbine and become more economical.