Birleşik çevrim santralinde ekserji analizi ve atık ısının değerlendirilmesi

Abstract

ÖZET: Ekserji analizi, gaz ve buhar türbinleri, ısı pompası Adapazarı'nda kurulu olan, 1 Adapazarı, 2 Gebze olmak üzere toplam 3 üniteden oluşan ve her bir ünitede 2 gaz türbini ve 1 buhar türbini grubu bulunan ve toplam 3x770 MW gücünde elektrik üretim kapasitesine sahip kombine doğal gaz çevrim santralindeki çevreye atılan atık ısı enerjisi, ısı pompası yardımıyla konut ısıtılmasında- ve endüstriyel amaçlı kullanımının termodinamik ve ekonomik analizleri yapılmıştır. Her bir ünitedeki çevrim santralında doğal gazla çalışan gaz türbin 2x52943 kg/h doğal gaz tüketmekte ve bu üniteler %56.5 verim ile çalışmaktadır. Gaz türbinlerinde yakıtın yanmasıyla oluşan yanma enerjisinin (%30)'u yaklaşık 469979kWq büyüklüğündeki ısı enerji yoğuşturucudan soğutma kulesiyle çevreye atılmaktadır. Kalan ısıl gücün (%6.6)'sı da 56161 kWq büyüklüğünde bacadan çevreye atık ısı olarak atılmaktadır. Görüldüğü gibi 526140 kWq büyüklüğünde çok yüksek miktardaki ısı enerjisi düşük sıcaklıkta kalitesiz enerji olarak çevreye atılmaktadır. Bunlar dikkate alınarak, düşük sıcaklıktaki atık ısının değerlendirilmesi amacıyla sisteme uygun kapasitede ısı pompasının belirlenmesi için çevrim santralının termodinamik hesaplamaları yapılmıştır. Çalışmada öncelikle gaz türbininden başlayarak, atık ısı kazanı, buhar türbini, atık ısı kazan bacası ve yoğuşmada ki enerji ve ekserji bilançoları çıkartılarak termodinamik analizler yapılmıştır. Bu analizler sonucunda her bir birimin, gaz türbini, yüksek basınçlı, orta basınçlı ve alçak basınçlı buhar türbinleri, atık ısı kazanı, yoğuşturucu bileşenlerindeki birinci kanun verimleri ve ekserjitik verimleri hali hazır kurulu sistem için hesaplanmıştır. Kombine çevrimin yoğuşturucu ısı yükü, ısı pompasına ısıl kaynak alınarak, ısı pompası yoğuşturucusundan elde edilen ısı yüküyle kışın konut ısıtılmasına gidilmiştir. Isı pompası çalışma şartları, ısı pompası yoğuşturucunun değişik sıcaklıkları arasında alınarak, ısı pompası birim maliyet analizi yapılmıştır. Çevrim santralının ekonomik ömrü yirmi yıl olarak belirlenmiştir. Bu nedenle de santrale ilave edilmesi tasarlanan ısı pompasımn ömrü de yirmi yıl alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Isı pompası tek bir kombine çevrim santralinin yoğuşma ünitesinden yararlanmakla 20000'den fazla konutun ısıtılabileceği, ayrıca her bir atık ısı kazan bacasına eşanjör yerleştirerek 2x939 adet konutun daha ısıtılabileceği hesaplanmıştır. Isı pompası tasarımında, Adapazarı bölgesinin, son yıllara ait meteorolojik değerleri alınarak en düşük dış sıcaklık ortalama +4°C olarak belirlenmiştir. Isı pompası bu sıcaklıkta en yüksek kapasitede çalışmaktadır. Farklı dış sıcaklıklarda konutların ısı ihtiyacı değişmektedir. Buna bağlı olarak ısı pompası yoğuşturucu ısıtma kapasitesi değişmektedir. Isı pompasının tam kapasitede çalışma durumunda, yılık toplam ısı pompası yoğuşturucu ısı yükünün, konutların yıllık kullanım oram (Rk) olarak XVIbelirlenmiştir. Bu oran ısı pompası kompresör kapasitesinin optimum değerini belirlemiştir. Adapazarı için bu oran 0.43 olarak belirlenmiştir. Isı pompalarında R-22, R-114, R-500, R-134a, R141B, R-152a gibi farklı soğutucu akışkanlar için performans katsayısı ve ısı pompası yoğuşturucu sıcaklıkları ayrı ayrı hesaplanmış en uygun olarak R-l 1 soğutucu akışkanı görülmüştür. Mevcut bulunan kombine çevrim santralının ekserjitik ve termodinamik analizleri yapıldıktan sonra sisteme ısı pompası ilavesiyle yeniden ekserji ve termodinamik analizi yapılmıştır. Bu analiz sonucunda her bir bileşenin ve sistemin bütünü için yapılarak sistemin hali hazır değerleriyle mukayese edilmiştir. Tasarlanan ısı pompasının yatırım maliyeti, işletme gideri ile birlikte ele alınarak termoekonomik analiz yapılmış ve kWh başına düşen maliyet belirlenmiştir. Isıtılması düşünülen konutların, ısı pompası yerine bireysel olarak doğal gazla ısıtılması, ekonomik olarak analiz edilmiş ve ısı pompasının toplam maliyet analiziyle karşılaştırılarak, ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığının 100°C'ye kadar daha ekonomik olduğu tespit edilmiştir.

EVALUATION EXERGY ANALSİS OF THE COMBINED POWER PLANT AND WASTE HEAT SUMMARY Keywords: Exergy analysis, gas and steam turbines and heat pump There are three units in Adapazarı. One of theirs name is Adapazarı and the others Gebze are respectively. Each group has two gas turbines and one steam turbine. Total electric energy, 3x770 MW is generated using by waste heat. The waste heat is used in heat pump to heat district heating and industry for a economic analysis The natural gas, 2x52943 kg/h, consumes in each unit. The efficiently of each unit is 56.5 % Energy of %30 the total generated energy goes to condenser and tower cooling. The other 6.6 % of exergy go to the environment it is obviously that the 526140 kWq goes to the environment To evaluate exergy and energy of the heat pump, thermodynamic analysis is calculated by using waste heat. Firstly, the evaluation of gas turbine analysis is calculated, then GRSG boiler, steam turbine, stock and condenser also are calculated. After the analysis, energy and exergy efficiency are obtained for them. Obtained condensate heat from the heat pump is used home heating in winter. Economic analysis is calculated at different condensate temperatures. The plant life is defined 20 years. This heat pump heats over 20000 home heating and also heat 2x939 home heating inserted exchanger in the HRSG boiler. The ambient temperature is +4°C obtained meteorology date for heat pump design. At this temperature, it works over capacity. If the ambient temperature changes, required home heat will change. Therefore, Rk, is defined while the heat pump works at the full capacity. İt is 0.43 for Adapazarı. Different fluids are used in the heat pump such as R-22. Rl 14, R-500, R-134a, R-152a and R141B. The R-l 1 is chosen. After exergy and thermodynamics analysis of the combined plants is calculated. New exergy and thermodynamics analysis is calculated again with and heat pump to system. These analysis is compared with the plants parameters. Investment and operating cost of the heat pump are obtained and them thermo economic analysis is calculated Finally, the total cost is defined as kWh If the condensate temperature is 1 00°C, heat pump will be economic. xvm