Gaz türbinlerinde su/buhar enjeksiyonunun termoekonomik performans ve emisyonlar üzerindeki etkisinin incelenmesi ve optimizasyonu
Effects of water/steam injection on the thermoeconomic performance and emissions of gas turbines and their optimization
Yazar: HASAN KAYHAN KAYADELEN
Danışman: PROF. DR. YASİN ÜST
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gaz türbini = Gas turbine

Özet:
Gaz türbinleri basit ve kompakt yapıları, aynı güçteki alternatiflerine göre daha hafif ve güvenilir oluşları sayesinde hemen hemen tüm hava araçlarında, yüksek hız ve manevra kabiliyeti sağladıklarından askeri gemilerde, bazı yolcu gemileri ve tankerlerde, hızlı devreye alınabilme ve değişken yüklere hızlı cevap verebilmeleri, alternatiflerine göre birim güç başına ilk yatırım maliyetlerinin daha az oluşu, çok çeşitli yakıtlarla ve özellikle temiz enerji kaynaklarıyla uyumlu çalışabilmeleri gibi avantajları sayesinde de elektrik üretiminde kullanılan enerji makineleridir. Benzin ve diesel motordaki kesintili ve karşıt tepkili çalışma sisteminin aksine, devamlı, düzenli bir akış ve salt dönme hareketi ile çalışmaktadırlar. Bu özellikleriyle diesel motorlara göre daha düşük bakım giderleri ve daha uzun bir kullanım ömrü sağlamaktadırlar.

Gaz türbinlerinin performansı arttırılıp, emisyon ve ilk yatırım maliyetleri düşürüldüğünde tesis giderleri azalacağından ve daha çevreci olacaklarından daha yaygın uygulama alanı bulabilecekleri kuşkusuzdur. Performans, emisyon ve maliyet üzerine yapılan çalışmalar ve ilerlemeler ışığında, Amerika Birleşik Devletleri'nde kurulacak yeni elektrik üretim tesislerinde gaz türbinlerinin payının %80'e ulaşacağı tahmin edilmektedir [1]. Yapılan bu AR-GE faaliyetleri sayesinde, gaz türbinlerinin çok yaygın kullanıldığı hava yolu taşımacılığı daha ulaşılabilir seviyelere ulaşacak ve yüksek hızlı, üstün manevra kabiliyetine sahip gemilerin yaygınlaşması sağlanabilecektir. Ayrıca pik yüklerin karşılanmasında sıklıkla kullanılan gaz türbinlerindeki süregelen gelişmeler, elektrik enerjisi birim maliyetinin daha düşük seviyelere inmesini sağlayarak sanayide üretimin artmasına, yakıt ithalatının azalmasına ve dolayısıyla ekonominin gelişimine önemli bir katkı sağlamaktadır.

Brayton çevrimine göre çalışan basit gaz türbinlerinin performansını arttırmak için üç temel yaklaşım söz konusudur. Bunlardan birincisi türbin giriş sıcaklığını ve kompresör basınç oranını arttırmaktır. Bu yaklaşım ile elde edilebilecek fayda, yüksek sıcaklığa dayanabilecek malzemenin veya uygun verimlilikte kanat soğutma ve yalıtım metotları ile oluşacak zorlayıcı etkilerin önüne geçilebilmesine ve ayrıca uygun kanat geometrilerinin tasarlanmasına yani malzeme, soğutma, yalıtım ve akış dinamiği teknolojilerindeki gelişmelere bağlıdır. Bu yaklaşımla yükselen sıcaklıklara bağlı olarak artan NOx emisyonlarını yasal sınırların altına çekebilmek için de ek sistemler ve yeni teknolojiler gerekmektedir. Tüm bunlar çok yoğun, uzun süreli araştırma gerektiren ve yüksek maliyetli gereksinimlerdir.

İkinci bir yaklaşım olarak türbin ve kompresör verimleri arttırılmaktadır. Bu da aerodinamik ve aerotermal yasalar içerisinde limitleri belli ve bu limitler nedeniyle günümüzde artık sadece çok küçük iyileştirmeler mümkün olabildiği bir seçenektir. Ayrıca türbomakine komponentlerinin yüksek ısıda ve hızda çalışıyor olmaları da parçaların komponent verimini arttıracak narinlikte imal edilebilmesinin önünde bir engel teşkil etmektedir.

Performansı arttırıcı üçüncü yaklaşım ise Brayton çevrimi üzerinde bazı modifikasyonlar yapmaktır. Faydasını ispatlamış olan giriş havası soğutma, ara soğutma, rejenerasyon, ara kızdırma ve buhar enjeksiyonu gibi birçok modifikasyonların arasında buhar enjeksiyonu, hem güç kapasitesi hem de termik verimi arttırması yönünden en etkin modifikasyonlardan biridir. Su/buhar enjeksiyonu, uygun koşullarda güç ve termik verimi arttırırken NOx emisyonlarının da azalmasını sağlayan etkin bir uygulamadır. Egzoz gazındaki yüksek sıcaklıktaki atık ısı enerjisinin bir bölümünün geri kazanılmasını sağlayan su/buhar enjeksiyonu yöntemi, kombine çevrimlere kıyasla çevrimin kısmi yük performansını iyileştirme ve birim güç başına yatırım maliyetini düşürme potansiyeline sahiptir. Çevrim üzerindeki bu iyileştirmeler sistemin ilk yatırım ve işletme maliyeti üzerinde doğrudan etkilidir. Bunun yanında enjeksiyon sistemleri az bir maliyet ile ve tesiste sadece beş gün gibi kısa bir atıl kalma süresi içinde uygulanabilmekte olduğundan hali hazırda çalışan tesisler için de faydalı olabilecek bir modifikasyondur.

Su/buhar enjeksiyonu ile ilgili çalışmaların hız kazandığı 1980'li yıllarda buhar enjeksiyonu, NOx emisyonlarını azaltmaya yönelik olarak kullanılmaya başlanmış, performans arttırıcı bir yöntem olarak kullanılması ise daha sonra gündeme gelmiştir. 90'lı yılların sonuna kadar performansa yönelik çalışmalara da yer verilmiş olmasına rağmen gelişen teknoloji türbin giriş sıcaklıklarını ve bu türbin giriş sıcaklıkları için optimum basınç oranlarını yükseltmiş olduğundan gaz türbinlerinden elde edilen egzoz gazları ve bununla birlikte egzozdan elde edilebilecek buhar miktarları da zaman içinde değişmiştir. Günümüz teknolojisinin sağlamış olduğu yüksek türbin giriş sıcaklıkları ve basınç oranlarında buhar enjeksiyonlu sistemlerin değişen yeni şartlar altında performans üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi ve optimizasyonu faydalı bir araştırma konusu olarak öngörülmüştür. 
1999 - 2000 yıllarında A.B.D Enerji Departmanı DOE'nin "temiz enerji" sloganıyla enerji sistemleri üzerinde 2015 yılına kadar gerçekleştirmeyi planladığı Vision-21 programı çerçevesinde belirlenen hedefler bu çalışmanın önemini bir kez daha ortaya koymaktadır. Bu programda gaz yakıtlı santrallerin veriminin %75'in üstüne çekilmesi emisyonların ise sıfıra yaklaştırılması hedeflenmektedir.

Bu çalışma, mevcut ve geliştirilmekte olan gaz türbinlerinin performans, maliyet ve emisyonlar yönünden optimizasyonu ve ayrıca halihazırda çalışan bir gaz türbinine buhar enjeksiyonu uygulandığında elde edilecek performans artışını ve emisyonlardaki değişimi belirlemede yardımcı olabilecek faydalı bir yaklaşım ortaya koymaktadır.

Faydaları tezin giriş bölümünde detaylarıyla bahsedilen bu yaklaşımın teorik temeli, çift yakıtlı, su/buhar enjeksiyonlu, EGR'li yanma modeli ile Bölüm 2'de verilmiş ve iki farklı bilgisayar programı kullanılarak yanma modeli doğrulanmıştır. Bölüm 3'te ise yanma modelini de kapsayan gaz türbini modeli ile buhar enjeksiyonlu basit çevrimli bir gaz türbini tesisinin performans ve maliyetler yönünden optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca performans ve maliyetlerdeki değişimle birlikte gaz türbinlerinden kaynaklanan en önemli kirleticiler olan [4] NOx ve CO emisyonlarının değişimi de izlenmiştir. Özetle, bir gaz türbinine su/buhar enjeksiyonunun işletme ve dizayn parametrelerine ve aynı zamanda emisyon oluşumu ve tesis maliyetlerine etkileri araştırılarak performans, ekonomi ve kirletici emisyonlar yönünden optimum işletme ve dizayn şartları; basit (STIG), rejeneratörlü (RSTIG), ara soğutmalı (ISTIG) ve ara kızdırmalı (RHSTIG) gaz türbini tesisleri için belirlenmiştir.
Tezde önerilen, yanma modelini de içerisinde barındıran termodinamik model, ekonomik ve çevresel koşulları da kontrol edebilecek bağıntılarla genişletilmiş, buhar enjeksiyonunun ilk yatırım maliyeti, yakıt maliyeti, çevresel maliyetler, bakım-tutum maliyetleri üzerindeki etkileri üzerinde durulmuş ve her bir çevrim için en düşük maliyeti sağlayacak tesis parametreleri araştırılmış, ayrıca tesise buhar enjeksiyonu uygulamasının getireceği ekonomik avantajlar hesaplanmıştır.

Buhar enjeksiyonu için gerekli olan atık ısı kazanı hesapları da Bölüm 7'de ayrıca incelenmiş, Bölüm 8'de ise önerilen gaz türbini modeline ait sonuçlar, buhar enjeksiyonlu bir GE LM5000 tipi gaz türbini tesisinden elde edilen sonuçlarla kıyaslanarak tezde ortaya koyulan yaklaşımın ve önerilen modelin hassasiyetinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bölüm 9'da ise tez çalışmasından elde edilen bulgulara ve bu bulguların her bir tesis için karşılaştırılmalı olarak değerlendirilmesine yer verilmiştir.

Bu tez, gaz türbinlerinde buhar enjeksiyonu uygulamasına yönelik kapsamlı araştırma ve analizler içerdiğinden gaz türbini tesislerine buhar enjeksiyonu uygulamaları üzerinde çalışacak araştırmacılara ışık tutacak bir çalışmadır. Ayrıca çevrecilik, sessizlik, güç yoğunluğu ve güvenilirlik yönlerinden diesel makinelere olan üstünlükleri ile bilinen gaz türbinleri tezde buhar enjeksiyonu yönünden optimize edildiğinden operasyon maliyetlerinin azaltılarak kullanımlarının yaygınlaştırılması yönünden denizcilik sektörü için de oldukça faydalı, yenilik getiren bir çalışma olacağı temenni edilmektedir.

Abstract:
Rapidly growing demand for gas turbines promotes research on their performance improvement and reducing their exhaust pollutants. Even small increments in net work or cycle efficiency and small changes in pollutant emissions have become significant concerns for both new designs and cycle modifications. To fulfill these requirements an accurate performance evaluation method which enables to see the effects on the exhaust gas composition is an important necessity. Such methods with chemical equilibrium approximation which depends on the exact gas composition inside the combustion chamber have been demonstrated by previous authors and proved accuracy for reciprocating engines but none has been proposed for gas turbines in the available literature.

To fill this gap, a precise thermoenvironomic performance evaluation approach for gas turbine cycles which enables economic and environmental aspects to be considered simultaneously, is presented in this work. This approach provides more accurate results than present methods which assume constant specific heats and complete combustion and can be applied to all gas turbine cycles for any  type fuel. Additionally, equilibrium exhaust species and flame temperature obtained can directly be used for the estimation of non-equilibrium exhaust pollutants using existing chemical kinetic or semi-empirical correlations. With all its capabilities, this approach enables to combine the key objectives of a gas turbine engine design: performance, emission and cost optimization by providing an accurate method that depends on the equilibrium exhaust species.
Chapter 1 gives detailed information about gas turbines, especially about steam/water injection technique, its constrains, alternative NOx control methods and a literature review.

In Chapter 2, chemical equilibrium routines of Olikara and Borman is modified to simulate steam/water injected, double fuel, EGR - reheat combustion model which will be used in the following chapters to calculate exhaust gas properties precisely and consequently performance of the steam/water injected gas turbine cycles.

In Chapter 3, a STIG cycle with steam injection is modeled and analyzed to show the capabilities of the presented approach. Later on, performance of this cycle is evaluated for varying steam injection, as well as equivalence and pressure ratios, taking irreversibilities and pressure losses into account and effects of each parameter on the net work and thermal efficiency are demonstrated. A full thermoenvironomic analysis is conducted. Steam injection effects on the non-equilibrium NOx and CO emissions and environmental damage costs, also fuel and investment costs are also presented.

In the following chapters, 4, 5 and 6, RSTIG, ISTIG and RHSTIG cycles are aslo modelled using the presented approach. Steam injection effects on all those cycles are analyzed and thermoenvironomic performance is also presented and optimization potentials are discussed.
Chapter 7 introduces the potential requirements of steam generation in steam injected gas turbine systems and puts forward a practical HRSG design for steam injected gas turbines which is used for thermo-economic evaluation of steam injected gas turbine cycles.
Chapter 8 presents a verification of the model in comparison to a real steam injected gas turbine with intercooling and reheat.

The study is concluded in Chapter 9 in which the key findings of the study are stressed. Weather the future technological improvements to gas turbines are likely to make steam injected cycles more or less attractive is discussed. Examples for further capabilities of the model for gas turbine analysis of different scope are also mentioned.