Kojenerasyon tesislerinin termoekonomik optimizasyonu
Thermoeconomic optimization of cogeneration plants
Yazar: RABİ KARAALİ
Danışman: PROF. DR. İLHAN TEKİN ÖZTÜRK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kojenerasyon = Cogeneration ; Optimizasyon = Optimization ; Termoekonomi = Thermoeconomy

Özet:
Bu çalışmada örnek alınan bir kojenerasyon sistemine yanma havasının ön ısıtılması, yakıt ve yanma havasının ön ısıtılması, kompresör giriş havasına su püskürtülmesi, sıcak egzoz gazları ile çalışan absorbsiyonlu soğutma sistemi ile giriş havasının soğutulması ve yanma odasına buhar püskürtülmesi durumlarının, termodinamiğin birinci ve ikinci kanun analizi ve ihtiyaç duyulan gelir metodu yardımıyla da termoekonomik analizi yapılmıştır. Ayrıca bu çevrimlerin farklı hava yakıt oranları ve kompresör sıkıştırma oranları için termoekonomik analizi yapılmış olup performans eğrileri çıkarılıp karşılaştırılmıştır.Kojenerasyon çevrimlerinin optimizasyonu çalışmalarında, literatürde belli bir gücü sağlayacak kojenerasyon sisteminin optimum çalışma şartları aranırken, bu tezde değişik bir yaklaşımla kojenerasyon sisteminin maksimum II. Kanun verimini veya minimum güç üretme maliyetini sağlayan çalışma şartları aranmıştır. İkinci durumda elde edilen sonuçların daha iyi olduğu görülmüştür. Birinci durumda elde edilen çevrimlerin optimum çalışma şartlarında elde edilen ikinci kanun verimleri örnek ve absorbsiyonlu çevrim için 0,51 ve hava ve hava yakıt ısıtmalı çevrim için 0,53 civarında iken ikinci durumda örnek ve absorbsiyonlu çevrim için 0,51 olarak benzer kalmakta ancak hava ve hava yakıt ısıtmalı çevrimler için 0,58 civarında bulunmaktadır.Dört adet çevrimin termoekonomik optimizasyonu belli güç ve buhar debisi (30 MW ve 14 kg/s buhar) için, belli bir güç (30 MW) için ve güç ve debi kısıtlaması olmadan, cihaz satın alma maliyetinin maliyet denklemlerine göre ve maliyet gücüne göre olmak üzere altı değişik durum için hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Cihaz satın alma maliyetinin maliyet denklemlerine göre hesaplandığı durumda belli güç ve buhar debisi için hava yakıt ısıtmalı çevrim (0,09011 $/kWh), belli bir güç için örnek çevrim (0,044 $/kWh) ve güç ve debi kısıtlaması olmadan yine örnek çevrim (0,0432 $/kWh) optimum maliyetleri sağlamaktadır. Bu analizlerin sonucunda hava yakıt ısıtmalı çevrimin maksimum verimi ve örnek çevrimin minimum maliyeti sağladığı görülmüştür.Ayrıca güç üretmek için kullanılan sıfır CO2 emisyonlu çevrimler ve teknolojiler incelenerek, sıfır CO2 emisyonlu yeni bir kojenerasyon çevrimi tasarlanmıştır. Bu yeni çevrimin termodinamik optimizasyonu yapılmış ve global maksimum ikinci kanun verimi (0,65) elde edilmiştir. Bu çevrimin veriminin hava ısıtmalı çevrimin ikinci kanun veriminden (0,5791) yaklaşık % 12 daha yüksek olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
In this study, most of improving methods of gas turbine cogeneration systems are applied step by step on a simple cogeneration system such as preheating air, preheating fuel and air, steam injection, inlet air cooling by using evaporative cooling and absorption cooling then analyzed by using first and second law of thermodynamic and the revenue requirement method. Also thermodynamic and thermo economic evaluation of cycles and their devices, for the different air and fuel mass ratio and compressing ratio values are studied and performance of the cycles are compared.The optimization studies of cogeneration cycles in the literature as obtaining the optimum values for a constant power and heat of a thermal system but in this study have done as obtaining the maximum second law efficiency or minimum electricity production cost for any power and heat of a thermal system, and of course second case gives better and advantageous working values. The first case gives us the maximum second law efficiencies of the cycles at a constant power (30 MW) and steam mass flow rate (14 kg/s) are 0,51 for sample and absorption cycles, and 0,53 for preheated air and fuel and air cycles. Second case gives 0,51 for sample and absorption cycles, and 0,58 for preheated air and fuel and air cycles.Four different cycles thermo economically optimized for a constant power (30 MW) and a steam mass flow rate (14 kg/s), constant power (30 MW) and any power by using cost equation of equipment and cost due by power equations. The optimum results of the thermo economic optimization by using cost equations are obtained for a constant power (30 MW) and steam mass flow rate (14 kg/s) preheated fuel and air cycle (0,09011 $/kWh), for constant power (30 MW) sample cycle (0,044 $/kWh) and for any power and heat sample cycle (0,0432 $/kWh). Those results show that the preheated fuel and air cycle has the maximum efficiency and sample cycle has the minimum costs.The most applicable and important zero CO2 emission cycles are analyzed by thermodynamic point of view and a novel cycle is introduced. Thermodynamic optimization of the novel cycle are studied and found that it?s the maximum (global optimum) second law efficiency is 0,65 which was %12 higher than (0,5791) for preheated air cycle.