Doğalgazla çalışan bir kombine çevrim santralın tasarımı, optimizasyonu ve enerji verimliliği
Design, optimization and energy effeciency of a natural gas combined cycle power plant
Yazar: MURAD A. RAHİM
Danışman: PROF. DR. ALİ DURMAZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Enerji santralleri = Power plants ; Enerji yönetimi = Energy management ; Kombine çevrim santralleri = Combine cycle plants ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Türkiye'de doğalgaz; kentlerde konutsal enerji gereksinimlerinin karşılanmasında ve elektrik üretiminde vazgeçilmez temel fosil yakıt konumuna gelmiştir. Elektrik üretiminde doğalgazın payı %50'lere doğru artmaktadır. Bunun başlıca nedeni, doğalgazlı kombine çevrim santrallerinin, verimlerinin kömürlere kıyasla yüksek, yatırım maliyetlerin çok daha düşük ve kurulma sürelerinin daha kısa, işletme ve bakım onarımlarının daha kolay olmasıdır. Bunun yanında Türkiye'de enerji yatırımlarında uzun süre geçikmeler meydana gelmiş, ülke ekonomisindeki değişken koşullarının tepe noktalarında, kısa dönemli elektrik açıklarıyla karşı karşıya kalmıştır. Yeterli yatırım kaynaklarının olmaması, yerli ve yabancı yatırımcılara yap ? işlet- denet yöntemi ile yüksek fiyatlarda elektrik alım garantisi verilmesi ile doğalgazlı kombine çevrim santrali kurulması çok cazip hale gelmiştir. Doğalgaz fiyatlarının hızlı ve büyük oranlarda artış göstermesi, başta Rusya olmak üzere, doğalgaz ve Petrol sağlayan ülkelerin, bunları bir politik ve ekonomik baskı aracı olarak kullanması, kombine çevrim santralleri konusundaki girişmecileri yeniden düşünmeye yöneltmiştir. Acil elektrik gereksinimi duyulan hallerde, yine doğalgazlı kombine çevrim santralleri uygulaması devam etse de, uzun dönemde temiz kömür teknolojilerine dayanan, bileşik ısı ? güç (koajenerasyon) ve kombine çevrim santralleri, elektrik üretiminde yeniden öne çıkmaya aday görülmektedir. Bu çalışmanın amacı, kombine çevrim santral yapısı, bu yapılardaki Ar ? Ge'sel değişiklerin kavranarak, bunların gönümüz enerji fiyatları ve teknolojilerine uygun enerji verimliliği çalışmalarında uygulamaktır. Böylelikle, bir yandan yeni kurulacak kombine çevrim santrallerinin işletme ekonomisi yününden en uygun biçimde kurulmaları, diğer yandan da 20 yıldır çalışan kombine çevrim santrallerin rehabilitasyonunu gerçekleştirerek, daha az yakıt kullanılarak çalışmalarını sağlamaktır. Verim ve kapasite artırıcı bazı önlemlerin yanında, en kolay ve en az yatırım ile gerçekleştirilebilecek başlıca enerji verimliliği çalışması, kombine çevrim santrallerinde kompresör girişinde yağmurlama yaklaşımı ile yakma havasının soğutulması ve debisinin artırılması ile sistem performansının iyileştirilmesidir. Bu çalışmada, kombine çevrim santralinin sistem yapısı incelenmiş, çevrim yapısının modellenmesi ve optimizasyonuna yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bunun ardından, kompresör girişinde yağmurlama uygulamasının sistem performansına etkisi incelenmiştir. Çevrimsel ısıl performans analizlerinde THERMOFLOW paket programının termodinamik analizleri ile ilgili THERMOFLEX paket programı kullanılmıştır. Sistemin mekanik boyutlandırılması ve termo-ekonomik analizler için, bu programın PEACE program paketi kullanılması gerekmektedir. PEACE sonuçları, Solid Works vb. CAD ? CAM uygulamaları ile tasarım ve imalat moduna geçme olanağının sağlayabilir. Ayrıca, Solid Works sonuçları, ANSYS programına yüklenerek, santralin kritik noktalarında gerilim analizlerin yapılması böylelikle, sistemin işletme ömrü boyunca uygun biçimde çalışması güvence altına alınabilir.

Abstract:
In Turkey, natural gas has come to indispensable main fossil fuel position due to usage in housing and electric production. Nowadays, natural gas usage in electric production has increased up to 50%. The main reasons to this increase are the advantages of natural gas combined circuit central much as lower investment cost, shorter foundation time, easier operation and maintenance, and higher efficiency values with respect to coal once. Energy investments are delayed in Turkey, and country faced short-term energy bottle-neck at the peaks of the oscillating economic condition. Natural gas combined cycle power plant investments are became very attractive to the local and foreign private companies with high price purchase guaranteed and build-operate-transfer model due to lack of governmental sources. On the other hand, with the rapid increasing it the price of natural gas, Russia and other petroleum and natural gas producers used these as a political pressure tool. Combined gas power plant entrepreneur reconsidered their investment opportunities under these conditions. Although natural gas combined cycle power plants are used for urgent electrical need, clean cool technologies combined heat-power (cogeneration) and combined cycle, are the new nominee for the long term power plant investments. The aim of this study is to investigate the combined cycle power plant structure and apply this to the energy efficiency studies which are suitable to technologies and current gas prices. So, new combined cycle power plant will be set in a more efficient may considering their operation economy and besides rehabilitation of old combined cycle power plant to reduce fuel consumption would be succeeded. The main energy efficiency application in order to increase system performance in the combined cycle power plant is to coal combustion air at the input of the compressor with fogging application and increase the flow rate. This application is also easier to apply and has lower investment cost. In this study, the structure of a combined cycle plant is investigated, modeled and optimized. Then, the effect of fogging application to the system performance is investigated. THERMOFLEX which is the thermodynamic module at the THERMOFLOW, is used analyze cyclic thermal performance. In order to do mechanical dimensioning and thermo-economic analyses, PEACE packet program is used. Results of the PEACE with the help of CAD-CAM applications such as SolidWorks make it possible to shift to production phase. Beside, the results of the PEACE can be transferred to the ANSYS and stress analyzes are performed for the critical parts. Thus systems working could be guaranteed throughout its lifetime. In addition to this, in Turkey have occurred delays in energy investments for a long time and in top points of flexible conditions in Turkey economy have been come across with short-term electric deficits. With deficiency of investment sources and giving electric purchasing guaranty in high prices with do-operate method to native and foreign investors, the natural gas combined circuit central has become much attractive. The increasing of natural gas prices in rapid and high rates, especially in Russia, entrepreneurs have consider again about combined circuit centrals because of using these as a means of politic and economic pressure of countries supplying natural gas and oil. In conditions needed urgent electric, even if the application natural gas combined circuit centrals continues, the compound heat-power (cogeneration) and combined circuit centrals leaning the clean coal technology have been seen the candidate again in electric production. The aim of this study, by comprehending the combined circuit central structure and the Ar-Ge changes in this structure; it is to apply these in our energy prices and in workings energy productivity and to its technologies are suitable. So, the other aim is to found the operating economy of combined circuit centrals which will be founded newly and the other is to supply their workings by using much little fuel and by realizing the rehabilitation of combined circuit centrals working for 20 years. With easiest and smallest investment and with irrigating in entrance compressor in combined circuit centrals is to heal the cooling of burning air and increasing its capacity with together its system performance. In this study, it has been examined the system structure of combined circuit central and it has been done studies about modeling of circuit structure and optimization. However, it has been examined the effect to its system performance of irrigating application in compressor entrance. It has been used THERMOFLEX packaged software about thermodynamics analysis of THERMOFLOW packaged software in cyclic thermal analysis. For its mechanic dimension and thermo-economic analysis, has required to use PEACE packaged software of this programmed. PEACE results can supply to pass opportunity to the design and production with application Solid Works etc?CAD-CAM. Furthermore, Solid Works results supply to do voltage analysis in important points of central by loading to ANSYS programmed. So, it can be ensured its working regularly for a long time.