Türbin Giriş Havasının Soğutulması ile Kapasite Kaybının Önlenmesi

Bu çalışmada enerji maliyetlerini azaltmak hedefine yönelik olarak kurulan enerji üretim tesisinde yapılan uygulama ile türbin havası soğutulmasının getirdiği kazanım inceleniyor. Bu yöntemle kapasitede % 20 yakın kayıp önlenebiliyor. [1]

Bir enerji üretim tesisinde türbin giriş havasının soğutulması gerekliliği aşağıdaki 2 temel nedenle önem taşır:

- Ortam/Dış Hava sıcaklığının ve buna bağlı olarak türbin giriş hava sıcaklığının 15 °C’nin üzerinde olması halinde, türbin anma kapasitesindeki azalmanın önlenmesi,

- NOx emisyonlarının azaltılması,

Soğutma işlemi absorbsiyonlu veya mekanik gruplarla yapılabilir.

Bu işlem zengin (güçlü) bir çözelti tarafından soğutucu akışkan buharının (H20) emilmesi (absorbe edilmesi) yöntemi ile gerçekleştirilir. [2] Suyun yoğuşma enerjisi ve karışım enerjisi, diğer akışkana (çözelti) aktarılır. Bu akışkan su soğutma kulesi devresindeki soğutma suyu ile soğutulur ve işlem sürdürülür. Su soğutma kulesi soğutucu akışkan buharını da yoğuşturur. Bu nedenle kompresörlü soğutma guruplarının kulelerinden daha büyük bir kule kullanımı gerekir. Soğutma işlemi kule devresi hariç vakum altında tutulan ısı değiştiricilerin içinde kapalı çevrim olarak gerçekleştirilir. Düşük elektrik tüketimi ve bakım gereksiniminin daha az olması, CFC içermemesi, çevre korunmasına olumlu etkisi bu yöntemin olumlu yanlarıdır. Büyük kapasiteli su soğutma kulesi gereksinimi ise yöntemin olumsuz yanıdır.

Yüksek verimli, ozon dostu soğutucu akışkan kullanılan gruplar kullanılarak yapılan soğutma işleminde projeye uygun çözümlerle toplam enerji verimliliğini artırmak hedeflenir.

1. Performans katsayısı (COP): Soğutma kapasitesinin kullanılan ısı enerjisine oranı.

2. Zengin Çözelti (Concentrated solution): Bu çalışmada LiBr (Lityum Bromür) % 64 ağırlık olarak kabul edilmiştir.

3. Kristalizasyon: Pompalanabilen karışımın donması veya karşı gelen sıcaklıkta olması gerekenin üzerinde yoğuşması.

4. Fakir Çözelti (Weak solution): Bu çalışmada LiBr % 59,5 ağırlık olarak kabul edilmiştir.

5. Soğutucu Akışkan: H2O demineralize su.

6. Absorbent: LiBr çözeltisi.

7. Jeneratör: Atık ısının değerlendirileceği ısı değiştirici.

8. Kondenser: Soğutucu akışkanın yoğuştuğu ısı değiştirici.

9. Absorber: Buharlaşan soğutucu akışkanın zengin çözelti ile karşılaştırıldığı ısı değiştirici.

10. Purge: Yoğuşturulamayan gazların dışarı atılması işlemi.

11. Kojenerasyon: Elektrik ve ısı üretimi.

12. Trijenerasyon: Elektrik, ısı ve soğuksu üretimi.

13. Otoproduktör: Elektrik veya elektrik/ısı üretecek modelin yasal adı.

14. Santrifüj: Dönel çalışma

Birleşik Isı – Güç Üretim Tesisleri’nde kullanılan tek etkili LiBr-H2O çevrimi Şekil 1’de gösterilmiştir.

Şekil 1. Tek Etkili Düşük Seviye Kontrollü Absorbsiyonlu Soğutma Çevrimi (4)

Soğutma işlemini ÇİZELGE 1 üzerinden sayılar ve okları izleyerek inceleyelim:

1. Zengin çözelti soğurucuya (absorber) püskürtülür. Buharlaştırıcıda (evaporatör) buharlaşan soğutucu akışkanı bünyesine emer. Bu sırada soğutulmak istenen devredeki su soğutulur.

2. Fakir çözelti soğurucuyu terk eder ve çözelti pompası ile ısı değiştiriciye gönderilir.

3. Fakir çözelti ısı değiştiriciden çıkar.

4. Zayıf çözelti jeneratöre girer. Kaynama noktasına kadar ısıtılır. Burada atık ısıdan yararlanılır.

5. Zenginleşen çözelti jeneratörden çıkar. Isı değiştiriciye girer, bu sırada soğutulur.

6. Zengin çözelti ısı değiştiriciden çıkar.

7. Zengin çözelti soğurucudaki püskürtücülere girer.

8. 6. noktadaki yoğunluk ve 2. noktadaki çözelti doyma sıcaklığı noktalarına bağlı olarak hesaplanan teorik bir noktadır. Kristalizasyon eğrisine en çok yaklaşılan noktadır. Kristalizasyon eğrisinden uzaklaşmak kapasite azalmasına, yaklaşmak kristalizasyon olasılığının artmasına yol açar. Geçmişte sorun olan bu konu günümüzde elektronik düzeneklerle kontrol edilebilir ve sorun çıkmaz.

Çizelge 1- Çözelti Çevrimi Dengeleme Diyagramı (4)

Vakum altında çalıştırılan su soğutma grubunun içine sızan yoğuşturulamayan gazların dışarı atılması işlemidir. ARI 560 standartlarına göre sızdırmazlık 0,0002 cm³/s’den az olmalıdır. Bu işlem belirli zaman aralıklarında otomatik veya elle yapılabilir.

A1- Soğurucu ayrım borusu

A2- Yoğuşturucu ayrım borusu

B- İkincil ısı değiştirici

C- Ayırma deposu

D- Depolama bölümü

E- Çözelti dönüş vanası

F- Seviye göstergesi

G- Yedek boşaltma vanası

H- Boşaltma vanası

J- Boşaltma şişesi

K- Hermetik çözelti pompası

L- Dış atım (purge) vanası

Kısılma vanaları üzerinden geçirilen akış ile yoğuşturulamayan gazlar dışarı atılır. Bu işlemin yapılmaması soğutma kapasitesinde azalmaya neden olur.

Birleşik ısı-güç sisteminde kullanılan türbin havasını soğutma projelerinde her proje için soğutma çevriminin enerji verimliliği hesaplanmalıdır. Türbin havasının soğutma gerekliliği su soğutma sisteminin kapasitesini belirler. Su soğutma sistemin verimliliği ise bu kapasite için harcanan enerji miktarıyla (COP) belirlenir. Bunu bir örnekle açıklayalım.

Hesaplanan su soğutucunun kapasitesi 1.100 kW olsun. Bunun için kurulan soğutma sisteminin özellikleri:

Buharlaştırıcı (Evaporatör): ARI560 FF 0,04403; Su Giriş/Çıkış Sıcaklıkları 12,0-7,0 °C; Direnç 89,05 kPa(g),

Soğuruculu Yoğuşturucu: Su Giriş/Çıkış Sıcaklıkları 29,0-32,5 °C; Debi 189,3 l/s; Direnç 159,02 kPa(g),

Generatör: ARI560 FF 0,04403; Çözelti Giriş/Çıkış Sıcaklıkları 95,0-81,5 °C; Debi 29,0 l/s; Çıkış Hızı 1,78 m/s; Direnç 35,84 kPa(g)’dir.

Su soğutma sisteminin harcadığı enerji Tablo 1’de gösterilmiştir:

Örnekte 1.100 kW enerji üretmek için toplam 170,9 kW elektrik enerjisi harcanmıştır. Dolayısıyla sistemin verimi: COP = 1.100 / 170,9 = 6,44 olarak bulunur. Su soğutma sisteminin işletme maliyeti için enerji tüketimi ile birlikte su tüketimi de dikkate alınmalıdır.

Mekanik su soğutma 1922’lerden beri santrifüj kompresörler ile yapılır. Santrifüj kompresörlü su soğutma grupları elektrik motoru ile çalıştırılan makinalardır (Şekil 3). Mekanik soğutma çevriminde soğutucu akışkan soğutulmak istenen proses suyunun enerjisi ile buharlaştırılır, kompresör yardımı ile sıcaklık ve basıncı yükseltilir ve yoğuşturucuda sıvılaştırılarak soğutma işleminin devamlılığı sağlanır. Santrifüj gruplar sanayide yüksek verimlilikleri nedeni ile tercih edilir. Bu gruplarda küresel ısınmaya olumsuz etkisi en az olan, ozon dostu R134A soğutucu akışkan kullanılır. Şekil 4’te örnek olarak verilen, Carrier’ın tasarladığı Evergreen® santrifüj kompresörlü su soğutma grubu çevreye zarar vermeden, gerçek çalışma koşullarında üstün verimlilik sağlar. Bu özelliği ile türbin giriş havasının soğutulması uygulamalarında kullanılır. 703 – 5.275 kW kapasite aralığında 19 XR; 703 – 5.100 kW kapasite aralığında frekans inverterli 19 XRV modelleri artırılmış yüzey alanı, borulamada yüksek teknoloji, yüksek verimli motor ile sınıfında en yüksek verime (Best in Class - ASHRAE 60.1) sahiptir. Carrier 19XR/XRV grupları yıllık kaçak oranı hava koşullandırma endüstrisinde sağlanabilen en küçük kaçak değeri olan % 0,1’dir. Pozitif basınçlı tasarımı, değişken difüzör optimizasyon mantığı ile birleşik kısmi yük değerlerini (integrated part load values- IPLV) iyileştirir.

Şekil 3. Tek etkili, yerı-hermetik, santrifüj kompresörlü su soğutma grubunun çalışma çevrimi (5)

Resim 1. Carrier 19 XR tek kademeli, yarı-hermetik, santrifüj kompresörlü su soğutma grubu (6)

ÇİZELGE 2’de dış hava sıcaklığına bağlı giriş havası – kapasite eğrisi gösterilmiştir.

Çizelge 2. Giriş havası sıcaklığı ile türbin kapasitesi ilişkisi

Çizelge 2’den görüleceği gibi 5-15°C giriş hava sıcaklığı aralığında yaklaşık 62-67 MW aralığında olan türbin kapasitesi, bundan sonra giriş hava sıcaklığına bağlı olarak lineer bir şekilde azalmasını sürdürür ve 40°C sıcaklık değerinde 50 MW’a kadar düşer. Sistem verimi de buna bağlı olarak ciddi oranda azalır. Bu nedenle incelemenin başlangıcında belirtildiği gibi türbin giriş havasının 15°C giriş hava sıcaklığını üzerinde soğutulması gerekir. Alarko Carrier türbin giriş havasının soğutulması projelerinde sağladığı yüksek verimli cihaz ve donanımların yanı sıra uygulama olasılıklarının hesaplanmasında ve soğutma gruplarının tedarikinde süpervizyon desteği de sağlar.

Alarko-Altek Kırklareli Kombine Çevrim Doğalgaz Santrali

Soğutma Kapasitesi: 5MW

Habaş Aliağa Tesisleri

Soğutma kapasitesi: 1.Faz 20 MW, 2. Faz 80 MW

Resim 2. Carrier 16 JLR Tek etkili absorbsiyonlu su soğutma grubu (6)

Resim 3. Carrier 19 XR tek kademeli santrifüj grubu

Enerji maliyetlerinin düşürülmesinde oldukça etkili bir yöntem olan bu sistemin de kullanımının yaygınlaşması ülkemize ve endüstrimize yararlı olacaktır.

[1] Kojenerasyon hakkında bilgi için bkz: Türkiye Konjenerasyon Derneği, http://www.turkoted.org/

[2] ASHRAE, Refrigeration 98

[3] ASHRAE, Fundamentals 98

[4] “Hermetic Absorption Liquid Chillers- 16JB, Operation and Maintenance Instruction” Carrier Corp., Catalog no 531-614, 1997

[5] Carrier, centrifugalcycle.avi

[6] “Evergreen and Aqua Series Water Cooled Chillers”, Cat. No: 04-811-50026, commercial.carrier.com