Gaz motorlu bir kojenerasyon sisteminin bir boyutlu simülasyonu
One dimensional simulation of a gas engine cogeneration system
Yazar: ATAMER DERİNPINAR
Danışman: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Kojenerasyon = Cogeneration ; Kojenerasyon santrali = Cogeneration plants

Özet:
Enerji verimliliği konusu ülkemizde ve tüm dünyada hassasiyet kazanmış bir konu haline gelmiştir. Ülkeler ve kuruluşlar bazında olduğu gibi bireysel bazda dahi enerji kullanımında verimlilik sağlanması yönünde bilinçlenme artmaktadır. Özellikle enerji maliyetlerindeki artış, arz güvenliği, çevre kirliliği vb. hususlardan ötürü enerji verimliliği önemli gündem maddesi olarak karşımızdadır. 
Kojenerasyon sistemleri enerjiyi verimli kullanma avantajlarından ötürü günümüzde gittikçe yaygınlaşan sistemlerdir. Bu sistemlerde elektrik üretimi yapılırken açığa çıkan atık ısıdan faydalanmak suretiyle bunun için ayrıca enerji tüketimi yapılmaz. Fabrikalar, hastaneler, oteller, üniversite kampüsleri, havalimanları ve alışveriş merkezleri gibi hem elektrik hem ısı enerjisine ihtiyaç duyan büyük komplekslerde enerji maliyetleri kojenerasyon sistemleri sayesinde ciddi miktarda düşürülebilir. Ayrıca, yakıt sarfiyatının azalması ile beraber emisyon yönetmelerine uygunluk ve çevre kirliliğini azaltmaya katkı sağlanır. Kojenerasyon sistemlerinde gaz türbinleri, buhar türbinleri ve içten yanmalı motorlar kullanılarak enerji üretimi sağlanabilir. Hangi tür makinenin kullanılacağı, talep edilen enerji miktarı, çevresel şartlar ve fizibilite sonuçlarına göre belirlenir. 
Fiyatının uygun olması, işletme kolaylığı ve temiz enerji kaynağı olması gibi sebeplerden dolayı doğalgaz enerji üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ülkemiz için dışa bağımlılık durumu doğalgazla enerji üretimi konusunda bir handikap olsa da doğalgaz tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de popüleritesini korumaktadır. 
Kojenerasyon sistemi kurulumu öncesinde bir çok fizibilite çalışması yapılması gereksinimi vardır. Fizibilite çalışması basamaklarından birisi girdi değerlerine göre hangi çıktı değerlerinin elde edilebileceği ve bunun analizidir. Yani sıcaklık, basınç ve bunun gibi parametrelerin güç, verim ve yakıt sarfiyatını nasıl etkilediği, sistem yatırım kararı ve sistem kârlılık hesabında etkin rol oynayacaktır. 
Bu tez çalışmasında gaz motorlu bir kojenerasyon sisteminin simülasyonunu yapan bir program oluşturulmuştur. Çalışma kapsamında öncelikle kojenerasyon sistemleri, kullanım alanları ve tekniklerinden bahsedilmiştir. Sonrasında MWM marka gaz motorları özelinde kojenerasyon sistemleri, gaz motoru ve kojenerasyon santrali ekipmanları detaylandırılmıştır. Gaz motorlu kojenerasyon santralinin çalışma prensibi anlatılmış, şematik şekiller ve resimler ile desteklenmiştir. Simülasyon programı için oluşturulan termodinamik model içerdiği tüm denklemler ve kabuller ile anlatılmıştır. Termodinamik model hava gaz karışımının sıkıştırılması, ara soğutma safhası, gaz motoru yanma odalarındaki yanma prosesi ve güç eldesi, egzoz safhası ve en son atık ısıdan enerji eldesi hesaplamalarını kapsamaktadır. Oluşturulan termodinamik model MATLAB programında kodlanmıştır. MATLAB arayüzünde kullanıcıdan bazı değerler talep edilir. Programa girilen bu değerler program tarafından termodinamik modeldeki yerine konulur ve denklemler çözülür. Hesaplamaların bitmesinin ardından excel sayfası şeklinde bir datasheet oluşturulur ve kullanıcıya sunulur. Bu datasheet girilen değerlere göre sistemden elde edilebilecek çıktı verilerini kullanıcıya sunacaktır.
Çalışmanın sonuç kısmında simülasyon programında yapılan birkaç simülasyona yer verilmiştir. Bu simülasyonlarda farklı girdi koşullarında hangi çıktı değerlerinin alındığı kıyaslanmıştır. Bu kıyaslar rakımın değişimi, farklı ortam sıcaklıkları, farklı gaz motoru tipi ve gaz motoru yükünün artması yada azalması şeklindedir. Bu analiz sonuçlarına göre rakımın artışı ve sıcaklığın yükselmesi elde edilen güç değerlerinde ve sistem veriminde düşüşe sebep olmaktadır. Ayrıca, MWM markasına ait TCG 2032 serileri aynı girdi koşullarında TCG 2020 ve TCG 2016 serisi gaz motorlarına göre daha verimlidir. Motor yükü konusunda ise tam yükten aşağı yük değerlerinde verim değerlerinin düştüğü görülmüştür.

Abstract:
Energy efficiency has become a sensitive issue in Turkey and all around the world. There is an increasing awareness about efficient usage of the energy sources amoung countries, amoung companies and amoung individual basis. Especially, efficiency  of energy is an important agenda item because of the rising energy costs, security of supply and environmental pollution.
Cogeneration systems become widespread during last years due to the efficiency on energy usage. Thanks to these systems there will be no extra energy consumption by using waste heat which is emitted during electricity production. In large complexes which need both electricity and heat, such as factories, hospitals, hotels, university campuses, airports and shopping malls, energy costs can be significantly reduced by cogeneration systems. In addition, reduction of fuel consumption, compliance with emissions regulations and reducing environmental pollution can be provided, too. Gas turbines, steam turbines or internal combustion engines can be used for energy production in cogeneration systems. Amount of energy demand, environmental conditions and feasibility results are the most significant factors about which type of machine should be selected for energy production. 
Natural gas is frequently used as a clean energy source as well as easy operation and reasonable price. Even though external dependence is a handicap, natural gas is keep its preferableness all around the world as well as in Turkey.
Before a cogeneration system investment, many feasibility studies are required. One of the feasibility study steps is analyzing the output values which can be provided by input values. In other words, how the parameters such as temperature, pressure and so on affect power, efficiency and fuel consumption which play active roles in system investment decision and system profitability calculation.
In this thesis, a program which simulates a gas engine cogeneration system is created. At first, cogeneration systems, usage areas and techniques are mentioned in the thesis. Thereafter specifically MWM brand gas engine cogeneration systems and cogeneration plant equipments are detailed. The working principle of the system is explained and supported by schematic shapes and pictures. The thermodynamic model which is generated for the simulation program is explained by all the equations and assumptions it contains. Thermodynamic model begins with the compression of gas air mixture and goes forward with intercooling phase, the combustion process in the gas engine combustion chambers, calculation of the power output, the exhaust output and ends with waste heat energy output. The codes of thermodynamic model is created in MATLAB software. The requested values from the user are entered in MATLAB interface. Related values are used in the thermodynamic model and the equations are solved. After end of calculations, a datasheet is created as an excel sheet and presented to the user by simulation program. This datasheet shows the output values which can be obtained from the system according to the values entered.
At the end of the study, several analysis are performed in the simulation program. Output value comparisions are done for different input value conditions. These comparison cases are altitude change, different ambient temperature conditions, different gas engine type situations and different engine load cases. According to the results of this analysis, rising of altitude and rising of ambient temperature cause to power and system efficiency decrease. In addition, it is observed that TCG 2032 series of MWM brand has more efficiency than TCG 2020 and TCG 2016 series under same input conditions. For engine load cases, simulation results shows that efficiency values decrease if engine load drops.