Header Reklam

Gaz Türbini Atık Isı Kazanları

05 Haziran 1994 Dergi: Haziran-1994
Gaz Türbini Atık Isı Kazanları

Babcock&Wilcox-Gama (BWG), ASME (Amerikan Makina Mühendisleri Birliği) Kazan ve Basınçlı Kap Nizamnamesi uyarınca, ABD'de eğitilmiş elemanları ile Atık Isı Kazanlarının optimum tasarımlarını yapabilmekte ve çözümler üretebilmektedir.

Tasarımlar için, Atık Isı Kazanı tasarımlarının gelişmesi ve kullanımının yaygınlaşmasında büyük katkısı bulunan Struthers Thermo Flood'un teknolojisini alan ve bunu daha da geliştiren Babcock&Wilcox'un ABD'deki bilgisayar ağına girebilen BWG, ayrıca imalat, montaj ve devreye alma gibi konularda da komple mühendislik hizmeti vermektedir. Atık Isı Kazanı konusunda daha detaylı bilgi almak isteyen ve koşullarına uygun optimum çözümler arayan firmalar BWG'ye her zaman başvurabilirler.

ÖZET

Bu çalışmada Gaz Türbini Atık Isı Kazanları kısaca tanıtılmaya çalışılmış olup, tasarım özelliklerine değinilmiştir. Ayrıca, Atık Isı Kazanlarının endüstrideki kullanım alanları birleşik çevrim ve birleşik ısı güç üretimi ile birlikte anlatılmıştır. Endüstride artan buhar gereksinimi için atık enerji kullanım düşüncesi yıllardır varolagelmiştir. Yakıt maliyetinin sürekli olarak artması, değişik endüstriyel proseslerden atılan atık ısıyı değerlendirme gereksinimi, gün geçtikçe çevre bilincinin gelişmesi ve artık çevreyi koruma kaygılarından dolayı yasal düzenlemelerin yapılması, atık enerjinin maksimum potansiyelinde değerlendirilmesi gereksinimini doğurmuştur. Yakıtın çok yüksek bir verimle değerlendirilmesi çabasından ötürü, Kimya tesisleri, kağıt fabrikaları, petrokimya tesisleri gibi endüstri dallarında birleşik çevrim ve birleşik ısı güç tarzında üretim biçimlerinin kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Güç santrallerinde, gaz türbini türünde bir güç ünitesinden açığa çıkan atık ısı, bir buhar türbini çevrimi için gerekli ısı kaynağı olarak değerlendirilebilir. Bu tip birleşik çevrimler, elektrik güç çevrimi toplam verimini % 50 dolaylarına çıkarabilir. Toplam enerji kullanımı, elektrik üretimi proses buharı kullanımı ile birleşince sistem verimi yukarıdaki düzeyleri geçebilir.

BİRLEŞİK ÇEVRİM VE BİRLEŞİK ISI GÜÇ ÜRETİMİ

Günümüzde doğal gaz kullanımının yaygınlaşması ile birlikte gaz türbinlerindeki gelişmeler ve standartlaşma sonucu, genellikle birleşik çevrim sistemi denilince akla hemen bir gaz türbini, atık ısı kazanı ve bir buhar türbininden oluşan sistem akla gelmektedir. Termodinamik olarak, bu çevrim Brayton gaz türbin çevrimi ile bir Rankine çevrimi bileşimini içerir (Şekil-1). Brayton çevriminden açığa çıkan egzos gazındaki atık ısı, Rankine çevrimi için ısı kaynağı Buhar türbininden atılan ısının d' sıcaklıkta olmasından dolayı da kullanılan yakıt yüksek bir verimle değerlendirilmiş olur. Birleşik ısı güç üretimi ise (kojenerasyon) enerjinin ardışık kullanımı ile elektrik ve faydalı ısının birlikte üretilmesi olarak tanımlanabilir.



Bu durumda Atık ısı kazanı prosese gerekli buharın enaz bir miktarını sağlıyordur. Ya da elektrik üretimini arttırmak için ve egzos gazı içerisindeki NOx emisyonunu azaltmak için gaz türbinine, buharın kalitesinin iyi olması kaydı ile, buhar enjekte edilebilir. Enjekte edilen buhar miktarı arttıkça üretilen elektrik miktarı da artar. Atık Isı Kazanında üretilen buharın bir kısmını doğrudan gaz türbinine enjekte etmenin en önemli avantajlarından biri değişen proses gereksinimlerine göre sistemin uyum gösterebilmesidir.

 

ATIK ISI KAZANI

Atık ısı Kazanı, sistemin gereksinimlerine göre belirlenmiş sıcaklık ve basınç değerlerinde optimum buhar üretimini sağlamak için egzos gazının girişi ile çıkışı arasında, ardarda yerleştirilmiş kızdırıcı, buhar üretici (evaporator) ve ekonomizer gibi bölümlerden oluşan ters akımlı bir ısı değiştiricidir. Birleşik çevrim sistemi ve birleşik ısı güç üretimi içerisinde yatırım maliyetini, işletme maliyetini ve toplam çevrim verimini etkileyen önemli bir elemandır. Atık Isı Kazanları, aşağıda belirtilen üç ayrı kategorinin kombinasyonlarına göre
sınıflandırılabilirler :

-          Doğal ya da cebri dolaşım sistemli,

-          Tek, ikili ya da çok basınç sistemli,

-          İlave yanmalı ya da yanmasız sistemler.

Doğal dolaşımlı sistemlerin, suyun dram ile evaporator boruları arasında dolaşımı için ayrıca bir dolaşım pompasına gereksinimi yoktur. Bu durum, sistem için ayrıca bir güç sarfiyatını önlediği ve bakım masraflarından tasarruf edilmesini sağladığı gibi dolaşım pompalarının arızası durumunda doğacak işletme kayıplarından işletmeciyi ari kılar. Bu tip kazanlarda, borular yukarıdan aşağıya dikey konumda olup. gaz akış yönüne diktir.

Dolaşım oranının yaklaşık olarak 15:1 ve daha yüksek olması boruların daha uzun ömürlü olmasına, borular içerisinde dolaşan kazan suyunun arılık derecesindeki hassasiyetin bir miktar azalmasına, kazan işletmesi sırasındaki geçiş dönemleri için daha yüksek esneklik ve yük değişikliklerinde dolaşımın kendini kompanse etmesini sağlar. Cebri dolaşımlı kazanlarda ise suyun evaporator boruları içerisinde dolaşması için pompa kullanılır. Dolaşım oranı genellikle, pompa büyüklüğünü asgari düzeye indirgemek ve güç tüketimini azaltmak için 5:1 ve 7:1 değerleri ile sınırlıdır. Borular yatay durumdadır ve gaz akışı borulara dik yönde olacak şekilde yukarıya doğrudur. Cebri dolaşımlı sistemlerin en önemli avantajlarından bir tanesi, bu sistemlerin daha dar bir alan kaplamaları ve soğuktan devreye girişlerinin daha kısa bir sürede yapılabilmesidir. Her iki teknoloji de dünya pazarında kullanıcı bulmakta olup, pazarı yarı yarıya paylaşmış durumdadırlar. Genellikle, doğal dolaşımlı sistemler Kuzey Amerika pazarında yaygın olup, cebri dolaşımlı sistemler Avrupa ülkelerinde daha çok kullanıcı bulmaktadır. Atık Isı Kazanı, tek işletme basıncında buhar üreten bir boru demetinden oluşan basit bir sistem olabileceği gibi bir düzineden daha fazla boru demetinden oluşan ve değişik basınçlarda buhar üreten karışık sistem de olabilir. Tek bir işletme basıncında, türbin egzos gazından alınabilecek enerji, gaz sıcaklığının buharın doyma sıcaklığının altına indirilememesinden dolayı sınırlıdır. Fakat çok basınçlı sistemlerde, değişik basınçlardaki doyma sıcaklıklarına bağlı olarak ısı çekilerek, tek basınçlı sisteme göre daha fazla enerji geri kazanılabilir (Şekil-4). Bu da yatırımı daha çekici hale getirir. İlave yanmasız bir sistem, Atık Isı Kazanı için oldukça basit bir düzenecektir. Temel olarak ilave yanmasız bir Atık Isı Kazanında, türbin egzos gazındaki enerji sabit olup, elde edilebilecek maksimum enerji sistem kayıpları ve kazan maliyetini göz önüne alarak belirlenir. Ayrıca, ortam sıcaklığına ve bağıl neme göre gaz türbini performansı değişeceğinden, üretilen buhar miktarı da doğrudan etkilenir. Gaz türbinlerinin egzos gazında genellikle % 13-17 gibi ilave yanma yapmaya yetecek kadar oksijen bulunur. Atık Isı Kazanınına yerleştirilen bir brülör ile egzos gazının sıcaklığını yükselterek buhar üretim kapasitesini yaklaşık 3-4 katı arttırmak olasıdır. Atık Isı Kazanlarının en önemli özelliklerinden birisi de finli boru kullanılabilmesidir. Gaz sıcaklığı 870°C'nin üzerine çıktığı zaman, fin malzemesi bu sıcaklığa dayanamayacağından çıplak boru kullanmak gereği doğmaktadır. Ayrıca kazan duvarlarında bu sıcaklığa dayanacak malzeme kullanmak ve başka önlemler almak gerekecektir. Bu da artan buhar miktarına göre Atık Isı Kazanının maliyetini olumsuz etkileyeceği için ekonomik değildir. Bundan dolayı da genellikle gaz giriş sıcaklığı 870°C'nin altında tutulmaya çalışılır.




Bazı endüstri dallarında, gaz türbininden bağımsız olarak ortam havasını kullanan brülörlerin yerleştirilmesi ile gaz türbininden bağımsız olarak Atık Isı Kazanında buhar üretimi olasıdır.

Hem egzos gazını hem de ortam havasını kullanacak şekilde tasarlanmış brülörler mevcuttur. Aynı zamanda iki değişik yakıtı da yakabilecek brülörler kullanmak da olasıdır. Bir Atık Isı Kazanının optimum tasarımını yapabilmek için aşağıda belirtilen teknik verilerin sağlanması gerekmektedir :

-    Egzos gazı debisi, sıcaklığı, analizi gibi gaz türbini egzos verileri

-    İzin verilebilir karşı direnç

-    Buhar debisi, işletme basıncı, çıkış sıcaklığı gibi her bir basınç için buhar verileri

-    Gelecekteki olası buhar kullanım gereksinimi

-    Besi suyu özellikleri

-    Atık Isı Kazanının yerleştirileciği alan

-   NOx ve CO gaz emisyonları için ilk kuruluşta veya gelecekte SCR ve CO katalizör sistemlerinin yerleştirilip yerleştirilmeyeceği. Sisteme katalizörler yerleştirerek gaz emisyonlarını istenilen düzeye düşürmek olasıdır. Boru demetleri arasından geçen egzos gazının yüksek direnç kayıp değerleri yaratılacak şekilde tasarımları, Atık Isı Kazanının maliyetini azalmasına neden olur. Ancak aynı zamanda, türbin performansını da düşürür. Her 25 mm su sütunu direnç kaybı, türbinin güç çıkışında %.25'lik bir performans kaybına neden olur.

Bu nedenle, Atık Isı Kazanlarının tasarımları alıcı veya türbin imalatçısı tarafından belirlenen izin verilebilir egzos gazı direnç kaybına göre yapılır. Genelde bu değer 254-305 mm su sütunudur.

 

ATIK ISI KAZANI TASARIM ÖZELLİKLERİ

Sıcaklık Profili

Özet olarak Atık Isı Kazanının yük ve sıcaklık dağılımını gösterir. Tasarımcıya boru demetlerini nasıl ve nereye yerleştireceği konusunda yol göstermesi açısından önemlidir. Tek basınç sistemli bir Atık Isı Kazanının sıcaklık profili Şekil-2'de görülmektedir.

Yakalama Sıcaklığı (Pinch)

Yakalama sıcaklığı, buhar üretim demeti bölümünden çıkan gazın sıcaklığı ile buharın doyma sıcaklığı arasındaki farktır. Ve sistemin tasarımındaki önemi büyüktür. Düşük yakalama sıcaklığı değerleri, buhar üretim miktarını arttırmakla birlikte ısı yüzeylerinin ve sistemin maliyetinin artmasına neden olur. Optimum bir değere ulaşmak için elde edilecek buhar miktarı ile sistem maliyetinin birlikte düşünülüp iterasyon yapılması gerekmektedir.

Yaklaşma Sıcaklığı (Approach)

Kızdırıcı   için   bu değer gazın giriş sıcaklığı ile kızdırıcıdan çıkan buhar sıcaklığı arasındaki farktır. Ekonomizer için ise buharın doyma sıcaklığı ile ekonomizerden çıkan suyun sıcaklığı arasındaki farktır. Düşük kızdırıcı yaklaşma sıcaklığı da yakalama sıcaklığı gibi yüzey alanlarının artmasına ve dolayısı ile de maliyetin artmasına neden olur.

Ekonomizer yaklaşma sıcaklığının belirlenmesinin en büyük yararı ise ekonomizerde buhar üretilmesini engelleyici tarzda bir tasarıma olanak sağlamasıdır.

Bilindiği gibi ekonomizerde buhar oluşması boru demetleri içerisinde suyun dengesiz dağılımı, boruların buhar tarafından bloke edilmesi, dram seviyesi dengesinin bozulması gibi istenmeyen durumlara neden olur. Bu da ekonomizer ve dolayısı ile de sistemin performansını etkiler.

Aşağıdaki yakalama ve yaklaşma sıcaklık değerleri deneyimlere bağlı olarak belirlenmiş olup, ekonomik ve teknik olarak olumlu sonuçlar verdiğinden tasarımın başında tasarımcıya yardımcı olabilir. Tasarımın ileriki aşamalarında duruma göre daha düşük ya da yüksek değerler kullanılabilir.

Yakalama Sıcaklığı (pinch) =11-28°C

Kızdırıcı Yaklaşma Sıcaklığı (approach) = 20-30 °C 

Ekonomizer Yaklaşma Sıcaklığı (approach)= 6-15°C



Ekonomizer Giriş Suyu Sıcaklığı

Ekonomizer giriş suyu sıcaklığı düşük sıcaklık korozyonu olayını engelleyici olacak şekilde belirlenmelidir. Eğer suyun sıcaklığı gazın çiğlenme noktasından düşük ise boru yüzeyinde sülfirik asit ya da hidroklorik asit oluşur ve korozyona neden olur. Çiğlenme noktası gaz içerisindeki kükürt miktarına bağlı olarak değişir.

Finli Borular

Atık Isı Kazanlarının en önemli özelliklerinden birisi de dış yüzeyleri finlerle kaplı boruların kullanılmasıdır. Normal borular ile kıyaslandığında, finli boru kullanımı dış yüzey alanını yaklaşık 10 katı arttırabilmekte ve dolayısı ile kazan boyutlarını azaltmaktadır. Atık Isı Kazanlarının yaygınlaşması finli boru üreticilerini de standartlaşmaya itmiştir. Finlerin seçiminde en önemli faktörlerden birisi gazın temizliği ve sıcaklığıdır. Buna göre, birim uzunluktaki fin sayısına, yüksekliğine, malzeme seçimine ve tipine karar verilir. Genellikle, eğer türbin yanma odasında ve ilave yanma brülöründe kullanılan yakıt doğal gaz gibi temiz ise fin yüksekliği ve yoğunluğu yüksek alınabilir. 2 numaralı fuel-oil gibi daha az temiz sıvı yakıtlar kullanılacaksa fin yüksekliği ve yoğunluğunu düşürmek gerekecektir. Aksi takdirde fin yüzeyleri arasında kurum birikip ısı iletimi katsayısını düşürecek aşırı kirlenme oluşur. Aynı zamanda bu biriken kurum gaz tarafı  basınç  kaybının da artışına neden olacağından türbin performansının düşmesine neden olur. Doğalgaz dışındaki yakıtların kullanımında, yakıtın içerdiği maddelere göre kurum üfleyicilerin de Atık Isı Kazanının tasarımında göz önünde bulundurulmasında yarar vardır. Eğer gelecekte doğal gaz dışında başka bir yakıt kullanılma olasılığı varsa, bu durumun baştan göz önünde bulundurulup kurum üfleyicilere ilerideki kullanımları için yer ayırmak gerekmektedir.

Gaz Kanalları ve Kazan Duvarları

Atık Isı Kazanı gaz kanalları ve duvarları yaklaşık 380 mm su sütunu basıncına kadar içerisinde gaz bulunan bir basınçlı kap gibi düşünülür ve bina dışı konum için uygun şekilde tasarlanırlar. Dış yüzey sıcaklıkları, 25°C ortam sıcaklığındı 60°C'nin altında olacak şekilde düşünülür ve buna göre izole edilirler. İç yüzeyleri ise izolasyon malzemesinin egzos gazı tarafından süpürülmemesi için aşınma plakaları ile kaplanır. Aşınma plakalarının malzemesi gaz sıcaklıklarına göre belirlenir. Gaz türbinlerine talep son günlerde gittikçe artmaktadır. Bu da birleşik çevrim ve birleşik ısı güç üretimini gündeme getirmektedir. Endüstride bu sistemlerin karlılığına inanç gün geçtikçe artmaktadır. Dolayısı ile de Atık Isı Kazanlarının önemi de belirginleşmektedir.



 

Mak. Yük. Müh. O. Oğuz KAYA

Babcock-Wilcox GAMA



Slider Altına