Ultra süper kritik termik santrallerin termodinamik ve ekonomik analizi
Thermodynamic and economic analysis at ultra-supercritic power plants
Yazar: ERMAN ÖZEN
Danışman: DOÇ. DR. BURHANETTİN ÇETİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Küresel ısınma, dünyayı tehdit eden en önemli sorunlardan biridir. Çalışmalar atmosferdeki sera gazı konsantrasyonu ile küresel sıcaklık artışı arasında doğrusal bir orantı bulunduğunu göstermektedir. Birçok ülkede, elektrik üretimi yakıt olarak fosil kullanan buhar güç santrallerinde yapılmaktadır. Son yıllarda, birçok güç üretim şirketi termik santrallerde verimleri arttırmak ve çevresel etkileri azaltmak için çalışmalar yapmaktadır. 
Diğer taraftan, elektrik enerjisi enerjinin en uygun formudur ve modern hayatın ayrılmaz bir parçasıdır. Ek olarak, enerji tüketim seviyesi, ülkelerin gelişmişlik seviyesini belirlemek için kullanılan kriterdir. Günümüzde elektrik enerjisinin %86'sı fosil yakıt kullanan termik güç santrallerinden ve %14'ü ise hidrolik, nükleer, rüzgar, güneş, jeotermal ve biyogasdan temin edilmektedir. Türkiye'de 2015 yılında, termik santraller kurulu güçte %58'lik paya sahipken, üretimde ise %69'luk bir paya sahip olmuştur. 
Enerji, ekonomik ve sosyal gelişme için çok önemlidir ve diğer ülkelerde olduğu gibi Türkiye'de de yaşam kalitesini arttırır. Fakat, Türkiye'de termik güç santrallerinde üretilen gücün ortalama %50'si, ithal yakıt kullanan santrallerde üretilmektedir. Özellikle doğalgaz ithalatı gün geçtikçe artmaktadır. Sonuç olarak enerji dönüşümü, enerji güvenliği, çevrenin korunması emisyon ve ithal yakıtın azaltılması için son derece önemlidir.
Türkiye'deki güç santrallerinin buhar parametreleri yaklaşık 130 Bar ve 550 C civarındadır. Ayrıca termik verimleri %30 ila %35 arasındadır. Bu santraller, yüksek oranda CO2 salınımı yaparlar ve küresel ısınmaya katkıları yüksektir. Güç santrallerinin, enerji ve ekserji verimlerini arttırmak için yüksek buhar şartları altında işletilmelidir. Taze Buhar basıncı 300 bar'a kadar ulaşabilir ve Taze Buhar sıcaklığı 600 C'ye kadar yükseltilebilir. Bu yüzden, Ultra-süperkritik termik santraller, enerji ve ekserji verimlerini arttırmak için Türkiye ve diğer ülkeler için oldukça önemlidir ve dışa bağımlılığı azaltmak için en iyi çözüm yollarından biridir. 
Bu çalışmada, 5 farklı termik güç santralinin analizi Ebsilon Professional programı kullanılarak analiz edilmiştir. Bir adet kritik-altı, bir adet süper-kritik ve üç adet ultra-süperkritik termik santral bulunmaktadır. Kritik-altı termik santralin buhar parametreleri, Soma Termik Santrali'nden alınmıştır. Farklı yüklemeler altında, ultra-süperkritik termik santrallerindeki enerji ve ekserji analizleri incelenmiştir. Kritik-altı olarak işletilen Soma Termik Santrali tek ara kızdırma, bir adet yüksek basınç(YB) türbini, bir adet orta basınç (OB) türbini, bir adet alçak basınç (AB) türbini, iki adet yüksek basınçlı besleme suyu ısıtıcısı (YBI), dört adet alçak basınç besleme suyu ısıtıcısı (ABI) ve bir adet degazörden (DEG) oluşmaktadır. Soma Termik Santralinin Taze Buhar basıncı 139,26 Bar ve 540 C'dir. Ultra-süperkritik buhar şartlarında işletilen Uygulama 4 ise çift ara kızdırma, bir adet YB türbini, iki adet OB türbini, bir adet AB türbini, dört adet YBI, altı adet ABI ve bir adet DEG'den oluşmaktadır. Uygulama 4'ün buhar parametreleri 600 C ve 300 Bar olarak alınmıştır. Uygulama 4'ün termik verimi, Soma Termik Santrali ile karşılaştırıldığında,  %100 yükleme altında %9,241, %75 yükleme altında %8,217 ve %50 yükleme altında %7,672 artmıştır. Uygulama 4'ün ekserji verimi, Soma Termik Santrali ile karşılaştırıldığında ise, %100 yükleme altında %8,062, %75 yükleme altında %7,198 ve %50 yükleme altında ise %6,692 yükselmiştir. Bu sonuçlar, buhar şartlarının, ara kızdırma ve besleme suyu ısıtıcılarının sayısının enerji ve ekserji verimi üzerinde büyük etkisi olduğunu göstermiştir. Son olarak, çalışmada sistemlerin ekonomik analizleri de farklı şartlar altında incelenmiş ve elektrik üretim maliyeti en yüksek santral kapasitesinin %50, yıllık çalışma saatinin 5900 ve kömür fiyatının 37,14 $/ton olması durumunda, en düşük ise santral kapasitesinin %100, yıllık çalışma saatinin 8760 ve kömür fiyatının 8,57 $/ton olması durumunda gerçekleştiği bulunmuştur. Ayrıca, en kısa amortisman süresi ise santral kapasitinin %100, yıllık çalışma saati 8760 ve kömür fiyatının 37,14 $/ton olması durumunda gerçekleşir.

Abstract:
Global warming has been one issue of great concern in the world. The study shows that there is a very good correlation between the greenhouse gas concentration in atmosphere and the global temperature. In most countries, electricity are generated by steam power plants that are driven by fossil fuels. During the past decade, many power generation companies have analyzed to process improvement in steam power plants by taking measures to improve the efficiency and minimize the environmental impact.
On the other hand, electric power is the most convenient form of energy and is an integral part of modern life. In addition, the energy consumption level is used as the criteria to indicate the development level of the countries. 
Currently, 86% of primary energy in the world approximately produced from fossil fuels (coal, petroleum, fuel-oil, naturel gas) fired thermal power plants (TPPs), whereas %14 of the electricity is compensated from different sources such as hydraulic, nuclear, wind, solar, geothermal and biogas. In Turkey, although the share of TPPs generating electricity is almost 58% within the total installed power, its ratio at the compensation of electricity demand is about 69% (37,9% natural gas, 28,7 % coal and 2% others) in 2015. 
Energy is very essential for economic and social development and improved quality of life in Turkey, as in other countries.However, In Turkey, 50% of the amount of electricity generated from thermal power plants is depended on imported fuel sources, especially natural gas. As a result, energy conservation is extremely significant to energy security, environment protection and emission and imported fuel reduction in Turkey.
The live steam parameters of power plants at Turkey are around 130 Bar and 550 C and their thermal efficiency are between 30% and 35%.They release great ratio of CO2 and contribute global warming effect.Power plants should operate at a high parameter condition in supercritical and ultra-supercritical domains to increase energy and exerg efficiencies. Live steam pressure can reach 30 MPa and live steam temperature has increased to 600 C.Therefore, USC power plants are obligation for Turkey and other countries to improve energy and exergy efficiencies and ultra- supercritic power plants (USCPPs) is will be one of the best choice to decrease external dependence at energy.
In this study, five TPPs have been analysed by using Ebsilon Professional software. There are one sub-critic power plant, one super-critic power plant and three ultra-supercritic power plants at this thesis. Steam parameters of the sub-critic power plant are given from Soma Power Plant. Improvement of energy and exergy analysis of Ultra-supercritic power plants under various load conditions have been investigated. Soma Power Plant(Base Case) which operates sub-critic, has single reheat stagge, one high pressure(HP) turbine, two intermediate pressure(IP) turbine, low pressure(LP) turbine, two high pressure regenerative heaters(HPRHs) and four low pressure regenerative heaters(LPRHs) with one deaerator(DEA).Live steam conditions of Soma Power Plant set at 139,26 Bar and 540 C. Case 4 which operates ultra-supercritic, has double reheat stages, one HP turbine, two IP turbine, one LP turbine, 4 HPRHs, 6LPRHs with one DEA. Steam parameters of Case 4 is 300 Bar and 600 C, respectivelly. Thermal efficiency of Case 4 under 100%, 75% and 50% load condition are increased 9,241%, 8,217% and 7,672% compared with Soma Power Plant. Exergy efficiency of Case 4 under 100%, 75% and 50% load conditions rise 8,062%, 7,198% and 6,692% compared with Soma Power Plant. The result indicates that steam conditions and adding reheat stage, HPRHs, LPRHs have huge role to improve thermal and exergy efficiencies. Finally, economic analysis of all cases have been investigated under various conditions and the highest cost of electricity occurs in case of working %50 load, 5900 h/yr and choosing coal price 37,14 $/tonne. The lowest cost of electricity occurs in case of working %100 load,  8760 h/yr and choosing coal price 8,57 $/tonne. Moreover, period of redemption changes depending on plant load, capasity and coal price.