Hava soğutmalı bir güç santralı yoğuşturucusunun ısıl modeli ve ölçümlerle doğrulaması
Thermal model of the air cooled condenser of an electrical power production plant and its verification with the actual operating data
Yazar: ERDAL ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. A. TANER DERBENTLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Sanayinin ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte enerjiye duyulan ihtiyaç giderek artmaktadır. Oluşan bu talep artışına paralel olarak elektrik güç santrallarının daha etkin ve verimli çalışacak  biçimde tasarlanması için araştırmalar yapılmaktadır. Bu talepleri karşılamanın çözümleri arasında enerji çeşitliliğinin arttırılması ya da var olan enerji tesislerinin iyileştirilmesi görülmektedir.   
Birçok enerji santralında ya da büyük güç kapasitesine sahip birleşik çevrimli santrallarda buhar türbini ve buhar türbinine bağlı olarak çalışan yoğuşturucu sistemler yer almaktadır. Su tüketimi fazla olan ıslak soğutmalı yoğuşturucular veya yüksek çevre sıcaklıklarında verimsiz çalışan hava soğutmalı yoğuşturucular kullanılmaktadır. Bazı durumlarda tekli sistemlere göre daha pahalı olmasına rağmen ıslak/kuru veya kuru/ıslak paralel soğutma sistemleri de kullanılmaktadır.
Tez çalışmasının ilk bölümünde, Dünya'daki ve Türkiye'deki enerji durumu hakkında bilgi verilmiştir. Tez çalışmasının modelini ouşturan birleşik gaz buhar çevrim santralları ve bu tarz santralların çalışma süreçleri ile ilgili bilgiler sunulmuştur. Bölümün devamında, buhar türbinlerinin ana ekipmanı olan yoğuşturucuların çeşitleri, çalışma prensibleri ve iyileştirme yöntemleri hakkında literatür araştırması sunulmuştur.  Ayrıca, kuru tip iki soğutma sistemi olan A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucu ile doğal hava akışlı Heller kuru tip soğutma kulesinin  karşılaştırılması yapılarak, A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucunun seçim kriterleri hakkında bilgi verilmiştir. 
Tezin üçüncü bölümünde, A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucunun ısıl analizi ve dizaynı için kullanılan metodoloji sunulmuştur. A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucunun temel parametreleri ve geometrisi tanımlanmıştır. Yoğuşturucunun hava ve su tarafında ısı taşınım katsayılarının hesaplanması için formüller verilmiştir. Bu bölümde verilen formüller ve metodoloji kullanılarak, MATLAB dilinde yazılan bir bilgisayar programı ile yoğuşturucunun ısıl modeli oluşturulmuştur. Bölümün sonunda metodolojinin kullanımını gösteren sayısal bir örnek verilmiştir.
Tezin dördüncü bölümünde, tez çalışması için referans alınan Yeni Elektrik Üretim A.Ş.'ye ait, 865 MWe elektrik üretim gücü olan birleşik gaz buhar çevrim santralının A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucusunun karakteristik özellikleri ve çalışma ilkeleri hakkında bilgi sunulmuştur. A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucu 15 oC  çevre sıcaklığında ve buhar çıkış basıncının 7 kPa olduğu durumda yaklaşık 200 kg/s buhar yoğuşturma kapasitesine sahiptir. Buhar çıkış sıcaklığı ise yaklaşık 40 oC'dir. Yoğuşturucu 42 adet hücreden oluşmaktadır. Her bir hücrede 1 adet fan, 12 adet boru demeti ve 468 adet kanatlı boru bulunmaktadır.
Tezin beşinci bölümünde parametrik çözümleme, doğrulama ve ekonomik model olmak üzere üç farklı çalışma yapılmıştır. Parametrik çözümleme için hava soğutmalı yoğuşturucunun bir hücresi ele alınmıştır. Temel boyutları sabit tutulmak üzere, bir hücredeki kanatlı boruların kanat yüksekliği ve boru demetinin birim yüksekliğindeki kanat sayısı değiştirilerek, Bölüm 3'te verilen termodinamik hesaplamalar yapılmıştır.  Kanat yükseklikleri: 16.5 mm, 18 mm (HSY referans değeri), 19.5 mm  ve boru demetinin birim yüksekliğindeki kanat sayıları: 400 adet/m, 410 adet/m, 420 adet/m, 433 adet/m ( HSY referans değeri) ve 440 adet/m olarak şeçilmiştir. Bu parametreler değiştirilerek, hücrenin hava hızı, Reynolds sayısı, Prandtl sayısı, Nusselt sayısı, hava ve su tarafının ısı taşınım katsayıları, toplam ısı geçiş katsayısı ve ısıl yükü hesaplanmıştır.  Sonuçlar çizelgeler ve şekiller ile sunulmuştur. 
Beşinci bölümün doğrulama çalışmasında amaç, biri 9.51 oC, diğeri 15 oC olan iki farklı çevre sıcaklığında, oluşturulan model ile hesaplanan ısıl yükü referans olarak alınan A yapılı hava soğutmalı yoğuşturucusunun performans testi sırasında ölçülen gerçek ısıl yük ile karşılaştırmaktır. Çevre sıcaklığının 9.51 oC olduğu durumda ölçülen gerçek değer 518.6 MW iken, oluşturulan model ile hesaplanan değer 509.94 MW olmaktadır. Çevre sıcaklığının 15 oC olduğu durumda ölçülen  referans değer 442 MW iken, oluşturulan model ile hesaplanan değer 441.75 MW olmaktadır. Yoğuşturucudan alınan gerçek ölçüm sonuçları ile oluşturulan model yardımıyla hesaplanan sonuçlar birbirine çok yakındır. Böylece, oluşturulan modelin doğruluğu ölçüm ve hesap hataları içinde kanıtlanmıştır. 
Beşinci bölümün  sonunda kuru tip hava soğutmalı yoğuşturucu ile ıslak tip doğal akışlı hava soğutmalı yoğuşturucunun maliyet analizi yapılmıştır. Bu analizde referans olarak alınan kuru tip A yapılı HSY'nin fan giderleri ile ıslak tip doğal akışlı HSY'nin su tüketim giderleri yıllık bazda karşılaştırılmıştır. Ekonomik analiz neticesinde, referans santralın büyüklüğü esas alındığında kuru tip A yapılı HSY'nin yaklaşık yıllık 5.3 milyon TL'lik fan elektrik gideri olurken, ıslak tip doğal akışlı HSY'nin yıllık yaklaşık 15 milyon TL su tüketim maliyeti olmaktadır. 
Tezin sonuç bölümünde elde edilen sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır. Kanat yüksekliğinin ve boru demetinin birim yüksekliğindeki kanat sayısının azalması ile birlikte toplam ısı geçiş katsayısında artış gözlenirken, toplam ısı geçiş alanında azalma olmaktadır.

Abstract:
The need for energy is growing with the development of industry, growing of income population. Along with the increase in demand for energy, new electric power plants are being built. One of the solutions to meeting this demand is to increase the diversity of energy sources and improve the performance of the existing power plants.
Most of the power plants in use today incorporate steam cycles with wet-cooling towers which consume relatively large amounts of water or air cooled systems which operate inefficiently at high ambient temperatures. In some cases dry/wet or wet/dry cooling systems are employed, but these are often more expensive than the other options.
Due to the decreasing availability and rising cost of cooling water, dry-cooling towers or direct air-cooled condensers (ACC's) are increasingly employed to reject heat to the environment in modern power plants incorporating steam turbines. Unfortunately, with an increase in the ambient temperature, the effectiveness of these cooling systems decrease resulting in a corresponding reduction in steam turbine efficiency. The reduction in turbine output during hot periods may result in a significant reduction revenue, especially in areas where the demand and cost for power during these periods is high. Enchancing the cooling performance during these periods may thus be justified. Dry/wet cooling systems, with their relatively low water consumption rate, provide the option of enhanced thermal performance during periods of high ambient temperatures, but their use is limited due to their relatively high capital cost. 
The wave finned flat tube heat exchangers are widely used in air cooled condensers of power plants. The wavy finned tubes are usually arranged in tube bundles which have an A frame structure. The width, length, thickness, and spacing of the finned tubes effect the thermal performance.
This thesis aims to review the methodology of calculating the heat transfer performance and characteristics of the A-frame direct air cooled condensers, do a parametric investigation on the effect of fin height and spacing on the thermal performance and verify these results on the A frame air cooled condenser of 865 MWe combined cycle power plant of Yeni Elektrik Üretim A.Ş. in Dilovası, Gebze, Turkey.
After the introduction, key information on energy is given for Turkey and the world in the second chapter of this thesis. Literature research related to gas steam combined cycle and steam turbine based power plants, their types and working principles are presented. The condensers of the steam turbines of these power plants are examined in greater detail. A comprasion between the A frame air cooled condensers and Heller type natural draft dry cooling tower is made and the selection criteria for the A frame air cooled condenser are given.
In the third chapter of the thesis, the methodology used for the design and thermal analysis of the A frame air cooled condensers are given. Within this context, the geometry and the basic parameters of the A frame air cooled condensers are introduced. Then the formulas are given for the calculation of the heat transfer coefficients associated with the air and water flows in the condenser. Fin effectiveness and the overall heat transfer coefficient are formulized. The methodology and the formulas given in this chapter forms the basis of the computer program written in MATLAB, which is used later in Chapter 5 to do a parametric analysis. The chapter ends with a numerical example illustrating the use of the methodology.
In the fourth chapter of the thesis the characteristics and the operation of the A frame air cooled condenser of the Yeni Elektrik 865 MWe combined cycle power plant is explained in detail. The A frame air cooled condenser of this power plant has a capacity of condensing approximately 200 kg/s of steam at 7 kPa. This corresponds to a condensation temperature of approximately 40 oC. The condenser consists of 42 cells. Each cell has 1 fan, 12 bundles which in turn consists of 468 waved finned tubes.  
In the fifth chapter of the thesis a parametric analysis of the A frame air cooled condenser was made first. One  cell of the air cooled condenser was chosen. Keeping the basic cell dimensions constant the height and spacing of the fins were changed. 3 fin heights, namely 16.5 mm, 18 mm ( fin height in the reference A frame air cooled condenser), 19.5 mm and 5 fin spacings, namely 400, 410, 420, 433 ( fin spacing in reference A frame air cooled condenser ), 440 fins per meter were selected. The computer program written was used to do the pertinent computations to yield the heat transfer ares, the air velocities, Reynolds, Prandtl, and Nusselt numbers, heat transfer coefficients on the air and water sides, the overall heat transfer coefficient and the heat transfer in one cell. Heat transfer in one cell may also be termed heat duty or heat capacity of the cell. Results were presented by tables and diagrams. 
A verification study was also made in Chapter 5. The performance of the actual air cooled condenser of the reference combined cycle power plant at two different ambient temperatures, namely, 9.5 oC, and 15 oC, was compared with the values computed by the thermal model formed. The performance test result of the air cooled condenser when the ambient temperature was 9.51 oC, gave the heat duty as 518.6 MW and the value computed  by the model was 509.94 MW. The reference design of the air cooled condenser when the ambient temperature was 15 oC, gave the heat duty as 442 MW and the value computed by the model was 441.75 MW. These results show that the measured and computed results match within the measurement and computational error tolerances.
The economic comparison of dry A frame air cooled condenser (ACC) and natural draft wet air cooled condenser (ACC) were also made in the chapter 5. The fan operation cost of the dry ACC and the water consumption cost of the natural draft wet ACC were formulated. It was shown that for a power plant size similar to the reference power plant , the costs for the dry A frame air cooled condenser and natural draft wet air cooled condenser were approximately 5.3 million TL and 15 million TL respectively.
Chapter 6 of the thesis contains the discussion of the results. Calculations of the heat transfer or heat duty per cell show a decrease with an increase in the fin height. On the other hand the heat duty per cell increases with decreasing fin spacing. The total heat transfer area increases with an increase in the fin height and also with an increase in number of fins per meter.