Buhar Kazanını Doğru Boyutlandırmak Sistemin Çalışmasını Optimize Eder

Doğru şekilde tasarlanmış verimliliği yüksek bir kazan tesisi ısıtma verimliliklerini en yüksek seviyeye çekerken bakım ve kurulum maliyetlerini de düşürür.

Kaynak: HPAC Engineering, Eylül 2019
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Bir buhar kazanı tesisini tasarlarken kilit unsurlar göz önünde bulundurulmalıdır. Tesisin kurulumu için ayrılan alan, tesis ekipmanlarının sığacağı kadar olması gerekirken bakım teknisyenlerinin rahatlıkla çalışağı hareket alanını da sağlamalıdır. Borulama, kontrol ve destek ekipmanlarına odaklanmak yakıt ve bakım maliyetlerini azaltmaya yardımcı olabilir. Ekipmanların doğru boyutlandırılması da gereğinden fazla çalışmanın önüne geçerek tesisin işlevsel ömrünün uzatılmasında büyük önem talşımaktadır.

Tasarım Seçenekleri
Verilmesi gereken ilk karar ısıtma yükünün karşılayacak ünite sayısının belirlenmesidir. Hedef 3-5 ısı eşanjörü olmalıdır. Ideal bir buhar kazanı tesisinde ısıtma yükünü karşılamak için minimum iki ünite bulunurken üçüncü bir ünite de yedek olarak bulundurulmalıdır (N + 1). Yedek buhar kazanının boyutunu azaltmak için 3+1 veya 4+1 ünitesi olan tesisler de kurulabilir. Bu şekilde yedek ünitenin kapasitesi tasarım yükünün %33’ü veya %25’i olacağından kurulum maliyetini düşürürken aynı zamanda tesis kapasitesinin korunmasını ve yedeklemenin yapılmasını sağlar (Şekil 1). Farklı ekipman boyutlandırmaları da efektif olabilir.
Geniş alan kaplamaları ve yüksek bakım maliyetleri sebebiyle ünite sayısının arttırılması yoluna tasarımcılar tarafından daha az gidilmektedir. 3+1 üniteli bir santralin tesis kapasitesinin %33 üni karşılayacak bir yedek ünitesi varken, 6+1 üniteli bir tesisin yedek ünitesi tesis kapasitesinin sadece %17’sini karşılayacak boyuttadır. Burdaki dezavantaj ise yedi ünitenin bakım maliyetinin 4 ünitenin bakım maliyetinden çok daha fazla olmasıdır.
Tesis yedeklemesi için bir diğer çözüm “modüler” kazan kullanımıdır. Bu kazanlar tek bir mahfaza içerisinde, birer takım yakıt, su ve baca bağlantıları olan tam bir buhar kazanı tesisi sunmaktadır.
Modüler kazanların avantajı her bir ünitenin birden fazla buhar kazan tesisini yedekleyebilmesidir. Bu santrallerin tasarımı da büyük santrallerde olduğu gibidir ve 3 ile 5 arasında ısı eşanjörü kullanımı idealdir. Modüler buhar kazanları sadece bir veya iki ünite için yeri olan hafif endüstriyel uygulamalarda kullanılabilir. Sadece tek bir modüler ünitenin kurulduğu durumlarda bu ünitenin bakım ve diğer çalışmalar için kapatılması gerekeceğiinin bilinmesi gereklidir. Kesintisiz ısı sağlanması gerekliliği olan kritik tesislerde mutlaka bir yedek ünite bulundurulmalıdır.
Ekipmanların seçiminden sonra tasarımcılar borulama, tahliye ve kontrol sistemlerini gözden geçirmelidir. Bu kalemleri önceden gözden geçirmek proje gecikmelerinin ve maliyetli proje revizyonlarının önüne geçer. Ekipmanlar sahaya ulaşana kadar egzoz ve besleme havası gerekliliklerini gözden kaçırmak ve o noktadan sonra egzoz havasını güvenli bir şekilde uzaklaştırmak için yeniden borulama yapılmasına sebebiyet verebilen yaygın hatalardandır ve maliyet artışına ve proje gecikmelerine sebebiyet verir. Hava tahliyesi dikkatli bir gözden geçirmeyi haketmektedir çünkü gereklilikler büyük farklılıklar gösterebilir.

Kurulum ve Karbon Ayakizi Hususları
Kazanlar boyutlandırıldığında ve ünite sayısı belirlendiğinde sıra mekanik odaya kurulumlarına gelir. Bu işlemin yapılması sırasında alan kazanmak için ulaşılabilirlikten ödün verilmemelidir. Çizimlerde üniteleri biribirnden birkaç santimetre uzakta konumlandırmak göze hoş gelse de, ünitelere servis sağlanması (arıza, bakım gibi) zorlaşmaktadır. Üniteler arasında bırakılabildiği kadar boşluk bırakılmalıdır. Oda uygun olmadığı zamanlarda tasarımcılar bir kazanı diğerine veya duvara bitiştirerek, üniteleri “sıfır aralık” ile konumlandırırlar. Burada temel kural ünitenin bir tarafını birbirleri ile bitiştirip diğer tarafında servis için alan bırakılmasıdır (Şekil 2).
Kazanlar mekanik odaya kurulduğunda kanallar, gaz ve su boruları, elektrik kablo boruları ve iletişim kabloları çekilmelidir. Mekanik odada bulunabilecek başüstü ısıtıcılar gibi ekipmanlar da birer etkendir. Mekanik odaya konulacak ünitelerin tavan ile arasındaki kalan mesafenin de önemli olduğu gerçeği dikkate alınmalıdır.
Diğer bir değişken de kazanın mekanik odaya nasıl yerleştirileceğidir. Yeni inşaatların kazanın duvarlar ve tavanın inşaasından önce yerleştirilmesi gibi  seçenekleri vardır. Buna karşın eğer ekipmanlar zamanında teslim edilemez ise projede gecikmelere neden olabilir. Her geciken gün maliyetlerin katlanarak artmasına sebebiyet verebilir.
Tadilat projelerinin ise farklı zorlukları vardır. Ekipmanlar mevcut koridorlardan veya kapılardan sığamayacak kadar büyük olduğunda duvarlardan biri veya tavan yıkılmak zorunda kalabilir ve konumlandırma sonrasında tekrar inşa edilmesi gerekebilir. Çatı katı kurulumlarında kazan asansöre sığmadığında; yukarı taşımak için bir vinç kurulumu (ve beraberinde getirdiği maliyetler) gerekli olabilir.

Tadilat Seçenekleri
Mevcutta bulunan sistemlerin değiştirilmesi ile bir sistemi tamamiyle yenileme şansı bulunmaktadır. Fakat bütçe buna yeter mi? Borulama, pompa ve kontrol sistemlerinde yapılacak basit değişikliklertasarruf sağlayabilir:
Sıcaklık ayarı ekipman verimliliğini iyileştirirken yakıt tüketimini düşürebilir. Sıcaklık ayarı dış ortam sıcaklığına göre veya mevsimsel, gece ve haftasonu planlarına göre yapılabilir.

• Mahalin konfor seviyesini etkilemeden besleme sıcaklığını ayarlamak maliyet azaltmada çok etkili olabilir
• Besleme suyu sıcaklığını düşürüp su debisini azaltmak pompa enerji tüketimini ve yakıt kullanım maliyetlerini azaltır. Su debisi ∆T ile ters orantılı olduğundan azaltılması dönüş suyu sıcaklığını azaltacak ve verimlilik artacaktır.
• Mevcuttaki sistem hem birincil hem de ikincil borulama sistemine sahip ve bina talebi 1 MMBH (milyon Btu/sa) üzerinde ise, sadece birincil borulama olan sisteme dönmek işletim maliyetlerini düşürür. Tasarım ∆T değerlerinden daha yüksek sıcaklık farklarına maruz kalmamaları için borulu ısıl eşanjörlerin sadece içerisinde hem birincil hem de ikincil borulama sistemi olan binalara kurulması gerekliliği unutulmamalıdır.

Devrilme Oranının Önemi
Gereğinden fazla çevrim yapılması enerji maliyetlerini ve bakım sıklığını arttırırken mekanik ekipmanların ömrünü kısaltır. Çevrim sayısını ideal seviyede tutmak yeterli devrilme katsayısına sahip ekipman seçiminden geçer. Birden fazla kazan kurulumu yapıldığında tüm kazanların devrilme oranı artar. Girdi tüm kazanların maksimum ateşleme oranında çalışması ile bir tek ünitenin en düşük ateşleme oranında çalışmasına kadar değişiklik gösterebilir.
Devrilme oranı hayati öneme sahiptir çünkü buhar kazanı tesisleri yılın en soğuk günlerine uygun olarak tasarlanmıştır. Fakat bu “tasarım günleri” toplam kazan çalışma süresinin %1’inden daha aza tekabül eder. Çoğu zaman (>%50) buhar kazanı tesisi soğuk günlerde gözle görülür biçimde daha düşük girdi le çalışır. Yoğuşmalı kazanlar daha düşük ateşleme oranlarında daha verimli olduğundan yüksek devrilme oranına göre tasarım yapmak yakıt tasarrufu sağlayacaktır.

Kazan Kütlesi Miti
Olması gerekenden fazla çevrim sayısını yüksek kütleli yoğuşmalı kazan kullanılmasının önleyeceği gibi bir yanılgı mevcuttur. Genellikle Scotch-Marine veya demir döküm tasarıma sahip yoğuşmasız kazanlar, düşük kütleli paslanmaz çelik, bakır veya alüminyum ısıl eşanjörlü modellere nispeten yüksek kütleli olarak kabul edilmektedir. Daha büyük yoğuşmalı paslanmaz çelik kazanlar veya yoğuşmalı demir döküm kazanlar orta kütleli olarak tanımlanabilirler. Buffer tankı gerekliliğini ısıtma sisteminin mevcut ısıl kütlesi (kazan da dahil), minimum sistem yükü, minimum kazan çevrim süresi ve buhar kazanı sisteminin devrilme oranı belirler. Kazan kütlesinin tek etkisi gerekli olan minimum çevrim sayısı üzerindedir.

Sıralama ve Öncü Kazanlar
Bir buhar kazanı tesisinin sıralamasının yapılış metodu ve ateşleme oranının belirlenme şekli işletim maliyetlerini ve sistemin faydalı ömrünü etkiler. Isı talebi ortaya ilk çıktığında tek bir kazan ateşleme yapar. Bu kazan “öncü” kazan olarak adlandırılırken son ateşleyen kazan da “artçı” olarak adlandırılır. Birden fazla kazanı olan tesislerde her bir ünitenin toplam çalışma süresini ve çevrim sayısını dengelemek için kontrol sistemi her seferinde öncü kazanı değiştirmelidir. Bu uygulama beklenmeyen arızaların ve sık ekipman değişiminin önüne geçer. Ayrıca faydalı ömrü biten ekipmanların değişim planlamasını da basitleştirir.
Genel anlamda, yüksek kütleli kazanlar tam güçte çalıştıklarında kısmi yüke oranan daha verimlidirler. Diğer taraftan, yoğuşmalı ve orta-düşük kütleli kazanların; çok düşük buhar ceketi kayıplarına (<%1 ve hatta <0,1%) sahip olması yaygın bir durum değildir. Isı eşanjörü yüzey alanı sabit olduğundan daha düşük ateşleme oranları ısı çevrimine daha iyi ısı transferi ve düşük ateşleme oranlarında daha yüksek verimlilik anlamına gelir (Şekil 3). Bu sistemler genellikle gereksiz çevrim sayısına sebebiyet vermeden mümkün olan en düşük ateşleme oranında çalışacak şekilde tasarlanmalıdırlar.

Sonuç
İdeal bir buhar kazanı tesisinin güvenilir bir operasyon sunabilmesi için yeterli sayıda ısıl eşanjörü ve yedekleme sistemine sahip olması, aynı zamanda ek bakım maliyetlerine de sebebiyet vermemesi gereklidir. Buhar kazanları kurulum kolaylığını ve karbon emisyon değerlerini dikkate alan bir gözle seçilirken, devrilme oranları düşük yüklerde olması gerekenden fazla çevrim sayısı yaratmayacek kadar yüksek olmalıdır. Kazan kontrol sistemleri öncü kazanları dönüşümlü olarak çalıştırarak ve çoklu kazan sistemlerinde sıralama yaparak işletim ve servis gereklilikleri konusunda avantaj sağlamalıdır. Tüm bu faktörlerin dengelenmesi ile ısıtma verimliliğinin maksimize edildiği, bakım ve kurulum maliyetlerinin düşürüldüğü verimli bir buhar kazanı tesisi tasarlanabilir.

Şekil 1. İdeal bir buhar kazanında, ısı yükünü karşılamak için en az iki, yedeklemek için de N+1 adet ünite bulunmalıdır. Yedek kazanın boyutunu azaltmak için 3+1 veya 4+1 seçenekleri kullanılabilir.

Şekil 2. Mekanik oda içerisinde alanın optümum şekilde kullanılması için, iki ünite birbirlerine bitiştirilerek servis gereklilikleri için alan bırakılır.

Şekil 3. Düşük ateşleme oranları daha iyi ısı transferi ve daha yüksek verimlilik anlamına gelir.