T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

BİR KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ

MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI

Danışman Yrd. Doç. Dr. Ahmet COŞKUN

YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

ISPARTA - 2016

© 2016 [MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI]

i

İÇİNDEKİLER

Sayfa İÇİNDEKİLER ......................................................................................................................... i ÖZET ......................................................................................................................................... iii ABSTRACT .............................................................................................................................. iv TEŞEKKÜR .............................................................................................................................. v ŞEKİLLER DİZİNİ ................................................................................................................. vi ÇİZELGELER DİZİNİ ............................................................................................................ vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ .......................................................................... viii 1. GİRİŞ..................................................................................................................................... 1

1.1. Enerji Santralleri ve Türleri ............................................................................... 3 1.1.1. Rüzgâr santralleri ......................................................................................... 3 1.1.2. Termik santraller .......................................................................................... 6 1.1.3. Jeotermal güç santralleri ........................................................................... 8 1.1.4. Güneş santralleri ........................................................................................... 8 1.1.5. Hidroelektrik santraller ............................................................................. 11 1.1.6. Nükleer santraller ........................................................................................ 11

2. KAYNAK ÖZETLERİ ........................................................................................................ 13 3. MATERYAL VE METOT ................................................................................................. 20

3.1. Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santrali Tanıtımı ............. 20 3.1.1. Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santrali çalışma prensibi ............................................................................................................ 21

3.2. Termodinamik Analizler ..................................................................................... 25 3.2.1. Enerji ve ekserji............................................................................................. 25 3.2.2. Termodinamik analiz sistemleri ............................................................ 26 3.2.3. Açık akışlı sistemlerde enerji korunumu ........................................... 28

3.2.4. Termodinamiğin II. yasası ve entropi .................................................. 29 3.2.5. Ekserji analizi ................................................................................................ 32 3.2.5.1. Kinetik ekserji ...................................................................................... 32 3.2.5.2. Potansiyel ekserji ............................................................................... 33 3.2.5.3. Fiziksel ekserji ..................................................................................... 33 3.2.5.4. Kimyasal ekserji .................................................................................. 34

3.2.6. Kullanılabilirlik .............................................................................................. 36 3.2.7. Tersinir iş ve tersinmezlik ......................................................................... 37 3.2.8. Birinci ve ikinci yasa verimi ...................................................................... 39

4. ALİAĞA GAZ TÜRBİNLERİ VE KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ 39 4. VE EKSERJİ ANALİZİ ...................................................................................................... 43

4.1. Kompresörün Enerji ve Ekserji Analizi ......................................................... 45 4.2. Yanma Odasının Enerji ve Ekserji Analizi .................................................... 47 4.3. Gaz Türbinin Enerji ve Ekserji Analizi ........................................................... 57 4.4. Isı Kazanının Enerji ve Ekserji Analizi ........................................................... 61 4.5. Yüksek Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi.................... 64 4.6. Alçak Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi ...................... 66 4.7. Yoğuşturucunun Enerji ve Ekserji Analizi ................................................. 68 4.8. Yoğuşturucu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi .................................. 69 4.9. Deniz Suyu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi ................................ 70 4.10. Degazörün Enerji ve Ekserji Analizi ............................................................ 72 4.11. Degazörün Birinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi ..................... 73

ii

4.12. Degazo ru n I kinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi ....................... 75 4.13. Yüksek Basınç Buhar Domunun Enerji ve Ekserji Analizi ................... 76 4.14. Yüksek Basınç Buhar Domu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi . 77 4.15. Santralin І. ve ІІ. Yasa Verimi ........................................................................... 79

5. ARAŞTIRMA BULGULARI ............................................................................................. 81 6. SONUÇ VE ÖNERİLER .................................................................................................... 89 KAYNAKLAR .......................................................................................................................... 92 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................................... 96

iii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

BİR KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ

MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

Danışman: Yrd. Doç. Dr. Ahmet COŞKUN

Gelişmekte olan ülkelerin enerji ihtiyaçları artarak devam etmektedir. Enerjiye olan talep, enerji santrallerine yapılan yatırımlarla sağlanabilmektedir. Yatırımlara ilave olarak, mevcut santrallerin performans iyileştirilmesine de gidilmektedir. Mevcut santrallerin performansının iyileştirilmesi için santrallere yeni üniteler eklenmektedir. Ayrıca iyileştirmeler, mevcut santrallerin çalışma parametrelerinin optimum değerlere getirilmesi ile sağlanabilmektedir. Bu sebeple, elektrik enerjisi üreten mevcut santrallere belirli iyileştirmeler uygulanarak verimleri arttırılmalı, santrallerin her bir ünitesindeki kayıplar da en aza indirilmelidir. Bu çalışmada, Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santraline termodinamiğin І. ve ІІ. yasası aracılığıyla, enerji ve ekserji analizi uygulanmıştır. Santralin akış şemasına bağlı olarak her bir ünitenin giriş ve çıkış noktaları belirlenmiştir. Belirlenen noktaların termodinamik özellikleri (Sıcaklık, basınç ve kütlesel debi) santralden anlık olarak alınmıştır. Alınan bu özellikler ile her bir noktanın entalpileri, entropileri ve ekserjileri sayısal olarak EES (Engineering Equation Solver) paket programı yardımıyla hesaplanmıştır. Yapılan hesaplamalar sonunda santralin I. ve II. yasa verimleri sırasıyla % 32.8 ve % 43.4 olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak; her bir üniteye enerji ve ekserji analizleri uygulanarak santralde en fazla ekserji kaybının sırasıyla yanma odası, ısı kazanı, yoğuşturucu, ünitelerinde olduğu, diğer ünitelerde ise ekserji kaybının düşük bir şekilde meydana geldiği belirlenmiştir. Santraldeki ekserji kayıplarının azaltılması ile verimde artışın sağlanacağı ön görülmektedir. Verim artışına paralel olarak enerji maliyetleri azalacak ve çevreye salınan zararlı emisyonlarda düşüş meydana gelecektir. Anahtar Kelimeler: Ekserji, güç santrali, ısıl verim, doğal gaz santrali, gaz türbini, kombine çevrim. 2016, 95 sayfa

iv

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF COMBINED POWER PLANT CYCLE

MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI

Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences

Department of Mechanical Engineering

Supervisor: Asst. Prof. Dr. Ahmet COŞKUN

The energy needs of the developed countries are continuously increased. This demand can be achieved by investments in power plants. As well as by the investments which are made to improve the performance of existing power plants. The new units of power plants are added to improve the performance of existing plants. Also, improvements can be achieved with the introduction of the optimum value of the operating parameters of the existing power plants. Therefore, applying certain electrical energy efficiency improvements in existing power plants produce, should be increased, losses in each unit of the plant should be minimized. In this study, by using the first and second law of thermodynamics the energy and exergy analysis has been applied to the Aliağa gas turbines and combined power plant cycle. Depending on the power plant flow charts diagram the input and output point of each unites have been determined. For specified point the thermodynamic properties (temperature, pressure and mass flow rate) momentarily was taken from power plant cycle. By the properties was taken from power plant. The enthalpy, entropy and exergies quantity was founded for each point with using EES (Engineering Equation Solver) programs. At the end of the calculations done the first and second law of thermodynamics efficiency is 32.8 % and 43.4 % respectively. As a result; when the energy and exergy analyses was applied for each unit of power plant, the maximum exergy lost was in the combustion chamber, boiler, condenser respectively and the exergy losses in other units was determined in decline form to occur. When reducing the exergy loses the efficiency of power plant is increased. The efficiency increased is parallel with energy cost decreased and harmful released into the environment decline in emissions will occur. Keywords: Exergy, power plant, thermal efficiency, natural gas power plant, gas turbine, combined cycle. 2016, 95 pages

v

TEŞEKKÜR

Bu tez konusunun seçiminde ve çalışmam boyunca beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan ve hiçbir zaman esirgemeyen, değerli Danışman Hocam Yrd. Doç. Dr Ahmet COŞKUN’a teşekkürlerimi sunarım. Santrale ait verilerin sağlanmasındaki katkılarından dolayı Aliağa Doğalgaz Kombine Çevrim Santrali İşletme Müdür Yrd. Makine Yüksek Müh. İsmail ŞEN’e teşekkür ediyorum. Hayatım boyunca beni anlayan, her anımda yanımda hissettiğim, beni bu konuma getiren, her şekilde ve her zaman göstermiş oldukları maddi ve manevi desteklerinden dolayı aileme teşekkürlerimi ve sonsuz sevgilerimi sunarım. Ayrıca, her zaman yanımda olarak, her türlü fedakarlığı sevgiyle yapmış ve en büyük gizli destekçim sevgili eşime çok teşekkür ederim.

MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI

ISPARTA, 2016

vi

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa Şekil 1.1. Enerji üretim dağılımı ..................................................................................... 2 Şekil 1.2. Yatay eksenli rüzgâr türbini ......................................................................... 4 Şekil 1.3. Yatay eksenli rüzgâr türbini uygulamaları ............................................. 5 Şekil 1.4. Üç kanatlı rüzgâr türbininin içyapısı ........................................................ 5 Şekil 1.5. Fotovoltaik ya da güneş pilleri .................................................................... 10 Şekil 1.6. Güneşin ısı enerjisinden elektrik üretimi .............................................. 10 Şekil 3.1. Santralin üsten görülüşümü ......................................................................... 21 Şekil 3.2. Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santralinin tesis şaması 22 Şekil 3.3. Kapalı sistem ...................................................................................................... 26 Şekil 3.4. Açık Sistem .......................................................................................................... 27 Şekil 3.5. Adyabatik (yalıtılmış) Sistem ...................................................................... 28 Şekil 4.1. Kompresörün şematik gösterimi ............................................................ 47 Şekil 4.2. Yanma odasının şematik gösterimi ......................................................... 52 Şekil 4.3. Gaz türbinin şematik gösterimi ............................................................... 58 Şekil 4.4. Isı kazanının şematik gösterimi ................................................................ 62 Şekil 4.5. Yüksek basınç buhar türbinin şematik gösterimi ................................ 65 Şekil 4.6. Alçak basınç buhar türbinin şematik gösterimi .................................. 66 Şekil 4.7. Yoğuşturucunun şematik görünüşü .......................................................... 68 Şekil 4.8. Yoğuşturucu pompasının şematik gösterimi ......................................... 69 Şekil 4.9. Deniz suyu pompasının şematik görünüşü .......................................... 71 Şekil 4.10. Degazörün şematik gösterimi ................................................................... 72 Şekil 4.11. Degazörün birinci pompasının şematik gösterimi............................ 73 Şekil 4.12. Degazörün ikinci pompasının şematik gösterimi .............................. 75 Şekil 4.13. Yüksek basınç buhar domunun şematik gösterimi ...................... 76 Şekil 4.14. Yüksek basınç buhar domu pompasının şematik gösterimi ......... 78 Şekil 5.1. Ünitelerin ikinci yasa verimi ........................................................................ 85 Şekil 5.2. Ünitelerin ekserji kayıpları ........................................................................... 87 Şekil 5.3. Santralin ekserji akış diyagramı ................................................................. 88

vii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Sayfa Çizelge 3.1. Kombine çevrimde kullanan ünitelerin ikici yasa verimi ........ 40 Çizelge 4.1. Kombine çevrimin noktalardaki özellikleri ve ekserji Çizelge 4.1. miktarları………. ............................................................................................ 43 Çizelge 4.2. Yakıtların giren ve çıkan bileşenlerine ait katsayılar .................... 48 Çizelge 4.3. Yanma reaksiyonunda girdilerin ve ürünlerin oluşum. Çizelge 4.3. entalpileri ve değer entalpiler ............................................................ 53 Çizelge 4.4. Reaksiyona giren ve çıkanların entropi değerleri ........................... 55 Çizelge 4.5. Bazı gazların molar standart kimyasal ekserjileri .......................... 56 Çizelge 4.6. Gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının Çizelge 4.6. termodinamik özellikleri .......................................................................... 59 Çizelge 5.1. Santraldeki bazı ünitelerin birinci yasa verimleri (%) ................. 84 Çizelge 5.2. Ünitelerin entropi üretilen değerleri (kW/K) ................................. 86

viii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ A.B.T. Alçak buhar türbini Enerji (kW) ex Özgül ekserji (kJ/kg) Kimyasal ekserji (kJ/kmol) Fiziksel ekserji (kJ/kg) Kinetik ekserji (kJ/kg) Potansiyel ekserji (kJ/kg) Ekserji (kW) Fiziksel ekserji (kW) Kinetik ekserji (kW) Potansiyel ekserji (kW) g Yer çekimi ivmesi (m/s2) G.T. Gaz türbini h Entalpi (kJ/kg) Entalpi (kJ/kmol)

Oluşum entalpi (kJ/kmol) Hu yakıtın alt ısı değeri ID Isı değiştirici İ Tersinmezlik(kW) K Kompresör KO Karışım odası Kütlesel debi (kg/s) M Mol kütlesi (kg/kmol) P Basınç (kPa) Ru Gaz sabiti (kJ/kmolK) s Özgül entropi (kJ/kgK) Entropi (kJ/kmolK) Sistemin toplam entropi değişimi (kW/K) T Sıcaklık (K) Hız (m/s) Y.B.B.D. Yüksek basınç buhar domu Y.B.T. Yüksek buhar türbini Karışım mol oranı Y.O. Yanma odası z Yükseklik (m) Birim zamanda ısı geçişi (kW) Birim zamanda yapılan iş (kW) Birim zamanda yapılan tersinir iş (kW) Net güç (kW) Ekserji kaybı (kW) Isıl verim Ekserji verimi (ikinci yasa verimi) Katı fosil yakıtın kimyasal ekserjisi Sıvı yakıtın kimyasal ekserjisi ρ Yoğunluk

ix

Alt İndisler :

ç Çıkış fay Faydalı g Giriş 0 Ölü hal p Pompa t Türbin tr Tersinir ü Yanma ürünleri y Yakıt Yoğuşturucu

1

1. GİRİŞ

Toplumun yaşam standartlarının arttırılabilmesi için önemli icatlar

keşfedilmiştir. Şüphesiz ki bu keşiflerden en önemlisi modern zamanda bağımlı

olunan elektriktir. Elektriğin laboratuvar duvarlarını aşıp, sanayideki ve günlük

yaşamdaki yerini alma süreci 19. yüzyılın ikinci yarısında Zénobe-Théopline

Gramme tarafından elektrik enerjisinin havai hatlar aracılığıyla etkin bir

biçimde iletilebileceğini göstermesiyle başlamıştır.

Elektrik enerjisi gelişen teknoloji ile birçok farklı kaynaktan elde

edilebilmektedir. Farklı yöntemler vasıtasıyla fosil kökenli yakıtlar, nükleer

enerji, güneş, rüzgâr ve jeotermal gibi enerji kaynaklarından elektrik enerjisi

üretilebilmektedir. Elektrik enerjisi üretiminde, fosil kökenli yakıtların ağırlıklı

konumunu önümüzdeki yıllarda da devam ettirmesi beklenmektedir (Yazıcı ve

Selbaş, 2011).

Dünyadaki enerji üretiminde öncelikli kaynaklar petrol, doğalgaz ve kömür gibi

yenilenemeyen ve çevreyi kirleten enerji kaynaklarıdır. Fakat, doğalgazın

çevreyi daha az kirletmesinden dolayı enerji üretimindeki payı gün geçtikçe

artmaktadır. Şekil 1.1'de görüldüğü üzere, dünyanın en çok kullanılan enerji

kaynağı petroldür. İkinci sırada kullanımı gittikçe azalan maden kömürü ve

üçüncü sırada ise üretim ve tüketimi hızla artan doğalgaz bulunmaktadır. Her

dönemde farklı enerji kaynakları önem kazanmış olmasına karşın, değişen

dönem koşullarına göre tercih edilen enerji kaynağı da yerini bir başka enerji

kaynağına bırakmıştır. Kömür yerini zaman içinde petrole bırakmış ve ilerleyen

yıllarda doğalgaz da önem kazanmıştır. Önümüzdeki yıllarda ise alternatif enerji

kaynaklarının değer kazanacağı tahmin edilmektedir (Bilgiustam, 2016).

2

Şekil 1.1. Enerji üretim dağılımı

Enerji gün geçtikçe hayatımızın daha da önemli bir parçası olmaktadır. Sınırlı

doğal kaynaklardan elde edilen bu enerjiler, talep artışına bağlı olarak daha

değerli hale gelmektedir. Enerji talebinin büyük kısmı gelişmekte olan

ülkelerden kaynaklanmaktadır. Bu talebin 2030 yılına kadar günümüze göre %

60 daha fazla olacağı beklenmektedir. Fosil enerji kaynaklarının artan talep

karşısında bugünde olduğu gibi gelecekte de önemini koruması beklenmektedir

bu sebeple Bu kaynakların değerlendirilmesinde son kullanım noktasındaki

makinelerin verimi ne kadar önemli ise elde edilirken ki enerji dönüşümleri de

okadar önemlidir (Sevilgen, 2004).

Enerji talebindeki artış, yeni enerji santrali yatırımlarıyla da

karşılanabilmektedir. Bunun yanı sıra, mevcut santralların performanslarının

iyileştirilmesi yönüne gidilerek, artan talebin bir bölümünü karşılamak

mümkündür. Özellikle az bir yatırım ile sağlanacak kapasite artışı, pik yüklerin

karşılanmasında önemli bir avantaj sağlayabilmektedir. Hali hazırda bulunan

santrallerin performansına etki eden en önemli faktörler çevre havasının

sıcaklığı ve nemi, katı yakıtlı santrallerde ise yakıt kalitesi ve santralin yaşı

olduğu bilinmektedir. Mevcut sistemler içerisinde performans açısından çevre

şartlarından en çok etkilenen sistem ise gaz türbinleridir (Rahim, 2011).

3

1.1. Enerji Santralleri ve Türleri

Elektrik insanların günlük yaşantısında vazgeçilemez bir yer edinmiş hatta

günümüzde hayati etkileri olan bir enerji türüdür. Doğadaki başka bir enerji

türünü elektrik enerjisine dönüştüren kuruluşlara santral adı verilmektedir.

Elektrik santralleri, başka enerji biçimlerini (termik, nükleer, hidrolik,

jeotermal, güneş, rüzgâr, vb.) elektrik enerjisine dönüştürmek amacıyla bir

araya getirilmiş donanımlardan oluşan işletmelerdir. Sanayi ile ilgili

donanımların çoğunluğu, hidrolik ve termik (klasik ve nükleer) santrallerden

meydana gelmektedir. Elektrik santrallerinin tümü, temel olarak bir enerji

kaynağını mekanik enerjiye dönüştürmektedir. Dönüştürülen mekanik enerji ise

hareketlendirici bir aygıt, bir alternatör ve bir dönüştürme istasyonundan

meydana gelen jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisini elde etmemizi

sağlamaktadır.

1.1.1. Rüzgâr santralleri

Dünyada; rüzgâr enerjisinden elektrik üreten ilk türbin, 1891’de modern

aerodinamiğin önemli mühendisi olan Paulla Cour tarafından Danimarka’da inşa

edilmiştir. Elektrik birim fiyatının yüksek olması sebebiyle mucitleri yeni üretim

metotlarını aramaya itmiştir. 1980–1981 yıllarında, endüstriyel ve teknolojik

gelişmeler sonucu 55 kW kapasiteli türbinler yapılmış ve üretimine

başlanmıştır. Risoe National Laboratuarı yardımı ile Avrupa Rüzgâr Atlasının

gelişmesi ve aynı zamanda yeni teknolojilerinde geliştirilmesiyle elektrik

enerjisinin birim fiyatında büyük düşüşler yaşanmıştır (Çolak ve Demirtaş,

2008).

Akın ve Zeybek, 2005’de yaptıkları çalışmada, Türkiye’nin rüzgâr enerji

potansiyeli üzerinde bazı hesaplamalar yapmışlardır. 10 hektar arazi için, 1 MW

kapasiteli bir türbinin yılda yaklaşık 2500000- 3000000 kW-saat enerji ürettiği

belirtilmiştir. Toplam yılda yaklaşık 200 milyar kWh enerji üretiminin olacağı

tahmin edilmektedir (Akın ve Zeybek, 2005).

4

Hava jeneratörlü santral, rüzgâr enerjisinden yararlanılarak elektrik üretilen

elektrik santrali türüdür. Hava jeneratörlü santrallerin en büyük eksikliği rüzgâr

hızının belirli olduğu aralıklarda çalışabilmesidir. Elde edilebilen enerji, yaklaşık

olarak rüzgâr hızının küpüyle orantılıdır. Saniyede 6 m, yani saatte 21,6 km'den

daha düşük hızlarda rüzgâr enerjisi çoğu zaman yetersiz kalır. Özel ihtiyaçlar

için, akümülatörlerle düzenlilik verilen küçük hava jeneratörleriyle elektrik

üretme tekniği nispeten isteneni verir. Fakat 10 kW'ı geçen makinelerin

üretimini elverişli şekilde düzenleme çaresi henüz bulunamamıştır.

Rüzgâr türbinleri mekanik olarak incelenecek olursa, türbinler dönme eksenine

göre yatay eksenli, dikey eksenli ve eğik eksenli olarak, rüzgâr alış yönlerine

göre de rüzgârı önden alan ve rüzgârı arkadan alan türbinler olarak

sınıflandırılmaktadır. Şekil 1.2'de yatay eksenli rüzgâr türbinlerine ait resimler

sunulmuştur.

Şekil 1.2. Yatay eksenli rüzgâr türbini

Türbin üreticisi firmalar, değişik model ve yapıda türbinleri dünyanın çeşitli

bölgelerinde deneysel olarak çalıştırmakta, en verimli ve bakım masrafı az olan,

ekonomik türbin yapısını tercih etmektedirler. Şekil 1.3'te değişik yapıdaki

rüzgâr türbinlerine ait örnekler verilmiştir.

5

Şekil 1.3. Yatay eksenli rüzgâr türbini uygulamaları

Büyük güçlerdeki rüzgâr türbinlerinden oluşan “rüzgâr çiftliği” adı verilen

yapılarda şebekeyle direkt bağlantı yapabilen, akü veya yedek bir besleme

kaynağı ihtiyacı duymayan, alternatör ve dişli kutusundan meydana gelen iki

veya üç kanatlı türbin yapıları kullanılmaktadır. Şekil 1.4’te ise üç kanatlı ve

yatay eksenli bir rüzgâr türbininin iç yapısı görülmektedir (Çolak ve Demirtaş,

2008).

Şekil 1.4. Üç kanatlı rüzgâr türbininin içyapısı

6

1.1.2. Termik santraller

Termik santrallerde yanma bir kazan ya da buhar üretecinde

gerçekleştirilmekte ve suyun buhara dönüştürülmesini, daha sonrada bunun

yüksek basınç altında (135 bar), yüksek sıcaklıkta (535 °C) ısıtılmasını

sağlamaktadır. Buhar, önce yüksek basınçlı türbinde ve ara ısıtma işleminden

sonra orta ve alçak basınçlı türbinlerde genişlemektedir. Birbirini izleyen bu

genişlemeler sırasında ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşür. Yoğuşturucuda

yoğuşturulan buhar tekrar su haline döner; türbinden alınan ara buharla kazan

besleme suyu tekrar ısıtılıp, kazana gönderilir. Buhar ve su bir kapalı devre

halinde dolaştığından dolayı, bu çevrim sonsuza kadar yenilenir.

Duman, kazan çıkışında büyük oranda ısı kaybetmekte ve elektro filtreden

sonra havaya verilmektedir. Böylece yanma olayı gerçekleşmektedir. Bu arada

türbinde yaratılan mekanik enerji bir alternatöre iletilmekte ve burada elektrik

enerjisine dönüştürülmektedir. Turbo-alternatör gurubunun uzunluğu 600 MW

bir güç için bazen 50 m'yi aşmakta, verilen elektrik akımıysa 20000 voltluk bir

gerilim altında 19200 ampere ulaşmaktadır. Modern bir termik santralinin ısılı

verimi yaklaşık % 40 civarındadır.

Termik santralin bilançosu incelendiğinde, üretilen bir kW için 4000 kJ’ den

fazla bir enerjinin soğutma suyuna verildiği anlaşılmaktadır. Su, bir akarsudan

alınırsa, bu suyun en çok 7-10 0C arasında ısıtılmasına izin verilmektedir. Bu

durum büyük bir kütlesel gerektirmektedir. 600 MW’lık bir enerji grubunda

soğutma için saniyede 22 m3 su gerekmektedir. Bu nedenlerden dolayı, büyük

santraller büyük akarsuların üzerinde ya da deniz kıyısında kurulmaktadır.

Bununla birlikte, termik santrallerin yol açtığı ısı artışı, su bitkileri ve hayvanları

için ciddi sorunlar yaratır. Suyun az, santrallerin çok sayıda bulunduğu

bölgelerde, genellikle hiperbol biçiminde büyük kulelerden oluşan havalı

(atmosferik) soğutma sistemlerinden yararlanılır. Termik santrallerde

kullanılan yakıtlar mazot, gaz ve kömürdür. Mazot için gerekli olan tesisler basit

tesislerdir; mazot 30000-40000 m3 hacimli, silindir biçiminde metalik

depolarda saklanır. Depolardan alınıp ısıtılan mazot püskürtülerek brülörlere

7

aktarılır. Gaz kullanımı için gerekli olan donanımlar çok az sayıdadır. Gaz

brülörlere gönderilmeden önce genişletilmekte, filtreden geçirilerek

ısıtılmaktadır. Termik santrallerde kömür kullanımı için gerekli olan tesisler gaz

ya da mazota oranla çok daha önemli ve büyüktür. Burada özellikle kömürün

demiryolu, akarsu ya da deniz yoluyla santrale getirilmesi, boşaltılması,

depolanması, santral alanı içinde dolaştırılması ve kazana verilmesi için gerekli

tesisler yapılmalıdır. Kömür önce toz haline getirildikten sonra, önceden

mazotla 500 °C’ye kadar ısıtılmış olan yanma odalarının brülörlerine kuvvetli

bir hava akımıyla gönderilmektedir. Bu odaların birkaç yüz metreküpü bulan bir

hacmi ve birkaç bin metrekare büyüklüğünde bir ısıtma alanı vardır. Büyük bir

termik santralinin kömür tüketimi günde 5000 tonu aşmaktadır.

Klasik santrallerde buhar, kömür, fuel-oil ve nadiren doğalgaz veya yüksek fırın

gazı yakılarak üretilir. Termik santrallerin, büyük debili akarsu yakınında veya

deniz kıyısına kurulması gerekmekte ve böylece santralde üretilen ısının

yarısını boşaltan yoğuşturucunun suyla beslenmesi sağlanmaktadır. Sıcak su

ırmağa doğrudan boşaltıldığı gibi (açık devre soğutma) büyük soğutma

kulelerine yollanabilir; burada havayla temas ederek kısmen buharlaştıktan

sonra yoğuşturucuya basılmaktadır (Kapalı devre soğutma). Bu yöntem

pahalıdır, ancak su alma işlemini ve ırmak sularının ısınmasına bağlı çevre

sorunlarını azaltma olanağı sağlamaktadır. Malzemelerin üretim maliyeti

sınırlamak ve işletimi kolaylaştırmak için santraller standart ve özerk üretim

birimleri halinde gerçekleştirilir. Her ünitede bir buhar kazanı, bir buhar üretici,

bir türbo alternatör grubu ve iletişim şebekesine bağlı, gerilim yükseltici bir

trafo (transformatör) bulunur. Daha düşük güçteki termik santraller, su buharı

çevriminden geçmeden elektrik üretir. Bunlar uçak motorlarının çalışma

ilkesine dayanan gaz türbinleridir ve doğrudan doğruya bir alternatörü veya

elektrojen dizel gruplarını çalıştırır. Bu türbinler belirli zamanlarında devreye

alınmak üzere tasarlanmış ve güçleri 100 MW' geçmemektedir (Deneysan,

2015).

8

1.1.3. Jeotermal güç santralleri

Jeotermal santraller, yeraltı kaynaklarının sahip olduğu ısı enerjisinden

faydalanarak elektrik üretilen santrallerdir. Jeolojik yapıya bağlı olarak

yerkabuğu ısısının etkisiyle sıcaklığı sürekli olarak bölgesel atmosferik yıllık

ortalama sıcaklığın üzerinde olan, çevresindeki sulara göre daha fazla miktarda

erimiş madde ve gaz içerebilen su, buhar ve gazların enerjisini elektrik

üretiminde kullanılmaktadır.

Yer altından kuyu yardımıyla çıkarılan yüksek sıcaklıktaki akışkandan

seperatörler vasıtasıyla ayrıştırılan yüksek sıcaklıktaki buhar, türbine

gönderilerek ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümünü sağlamaktadır. Elde

edilen mekanik enerji jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisine

dönüştürülmektedir.

Jeotermal santrallerde çevrim sonrası elde edilen çürük buhar, farklı teknikler

ile tekrar çevrime sokularak enerji üretimine ilave edilebilir.

Çevrimde görevini tamamlayan iş akışkanı gerek tarım alanlarını tahribata

uğratmasından dolayı, jeotermal kaynakların devamlılığı için tekrar yer altı

rezervuarlarına sıvı fazla gönderilmektedir. Jeotermal santrallerde baz işleme

"Reinjeksiyon" adı verilmektedir.

1.1.4. Güneş santralleri

Enerji üretilmesi için kullanılan yöntemler oldukça çeşitli olup, küresel ısınma

sebebiyle daha çok yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretilmesi

yöntemleri günümüzde özel ilgi çekmektedir.

Yenilenebilen enerji kaynaklarının en önemlisinden biri güneş enerjisidir. Temiz

ve masrafsız bir enerji kaynağından güneş enerjisinin en önemli özelliği bol ve

sınırsız olmasıdır. Kullanımı giderek artan güneş enerjisinden önceleri ısı

9

enerjisi olarak son yıllarda ise gelişen teknoloji ile beraber güç üretimi de

yapılmaktadır.

Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile (hidrojen gazının

helyuma dönüşmesi) açığa çıkan ışıma enerjisidir. Dünya atmosferinin dışında

güneş enerjisinin şiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² değerindedir. Ancak,

yeryüzüne ulaşan miktarı atmosferden dolayı 0-1100 W/m2 değerleri arasında

değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın

mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma

konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi

sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşüş göstererek

çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Dünya

ile Güneş arasındaki mesafe 150000000 km'dir. Dünya'ya güneşten gelen enerji,

Dünya'da bir yılda kullanılan enerjinin 20000 katıdır. Güneş ışınımının tamamı

yer yüzeyine ulaşamaz. Güneş ışınımının % 30'u atmosfer tarafından geriye

yansıtılır. Güneş ışınımının % 50'si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır.

Güneş enerjisinden faydalanılarak elektrik enerjisi elde etmek için iki yol vardır

(Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012).

Birincisi; fotovoltaik ya da güneş pilleri kullanarak, doğrudan güneş enerjisini

fotovoltaik piller ile elektrik enerjisine dönüştürmektir. Güç çıkışını artırmak

için çok sayıda güneş pili birbirine paralel veya seri bağlanarak bir yüzey

üzerine monte edilir. Bu yapıya, güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı

verilmektedir. Şekil 1.5'te fotovoltaik ya da güneş pilleri gösterilmiştir.

İkinci yol ise; güneşin ısı enerjisinden elektrik üretimidir. Güneş enerjisi ile su

buharı veya sıcak gaz üretilmesi sonrasında ise buhar veya gaz türbinine

gönderilmesi amaçlanmaktadır. Türbinde elde edilen mekanik enerji ise

jenaratör tarafından elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Güneşin ısı

enerjisinden elektrik üretiminin birkaç türü Şekil 1.6'da gösterilmektedir

(Salbaş vd., 2003).

10

Şekil 1.5. Fotovoltaik ya da güneş pilleri

Şekil 1.6. Güneşin ısı enerjisinden elektrik üretimi

11

1.1.5. Hidroelektrik santraller

Hidroelektrik santraller suyun akış enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmeye

yarayan santral türüdür. Akan su içindeki enerji miktarını suyun debisi

belirlemektedir. Debisi yüksek bir nehirde akan su büyük miktarda enerji

taşımaktadır. Ya da su çok yüksek bir noktadan düşürüldüğünde de potansiyel

enerji farkından yararlanılarak yüksek enerji miktarlarına ulaşılabilmektedir.

Her iki yolla da kanal ya da borular içine alınan su, türbinlere doğru alınmakta

ve elektrik üretimi için pervane gibi kolları olan türbinlerin dönmesini

sağlamaktadır. Türbinler jeneratörlere bağlı olup, mekanik enerjiyi elektrik

enerjisine dönüştürmektedirler (Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012).

Hidroelektrik santrallerinin kurulabileceği bölgeler doğal kaynaklara bağlıdır.

Bu sebeple üretilen enerjinin nakli yüksek maliyet içermekte ve genellikle tüm

hallerde kuruluş masrafları, termik santrallere oranla daha yüksektir. Fakat,

hidroelektrik santralinin işletme maliyetini düşüren en büyük etken iş akışkanın

enerji maliyetinin olmayışıdır. İşletme ve bakım masrafları, termik santralden

daha azdır. Hidroelektrik bir tesisin, işletme ekonomisi kuruluş masraflarını

karşılarsa, elverişli şartlara sahip olduğu düşünülmektedir (Wikipedia, 2015).

1.1.6. Nükleer santraller

Bütün enerjilerinin kaynağı olduğu kabul edilen güneşteki enerjinin nükleer

reaksiyonlar sonucu ortaya çıktığı bilinmektedir. Nükleer reaksiyonlarda atom

çekirdeği içinde bulunan proton ve nötron sayılarındaki değişimler söz

konusudur. Kimyasal reaksiyonlarda ise sadece elektron alış verişi olmasıyla

birlikte kütle değişimi söz konusu değildir. Nükleer reaksiyonlarda belirli bir

kütle azalmasına eşdeğer enerji ısı olarak açığa çıkar. Bu enerji; E=mc2 (m: kütle,

c: ışık hızı) ile hesaplanabilir.

Kütlenin enerjiye dönüşümü, fisyon ve füzyon tepkimeleri ile olmaktadır. Fisyon

için uranyum gibi bazı ağır çekirdekler nötronlarla bombardıman edilirse yeni

ve tamamen farklı iki çekirdeğe bölündüğü yani ayrışmanın gerçekleştiği

12

görülmektedir. Enerji üretimi ise, çekirdeklerin birbirinden hızla ayrılma

esnasında öteki çekirdeklere sürtünmesiyle ortaya çıkan ısı enerjisini

oluştururlar. Füzyon ise küçük çekirdeklerin kaynaşarak daha büyük

çekirdekler oluşturması ve bu arada büyük bir ısı enerjisinin açığa çıkmasıdır.

Ancak bu çekirdeklerin kaynaşabilmesi bir kaç milyon derece sıcaklıktaki

plazma ortamına ihtiyaç vardır. Bu ortam, ohmik ısıtma, lazerle ısıtma ve hızlı

elektron demetiyle ısıtma yöntemleriyle yapay olarak hazırlanabilmektedir.

Kullanılan hafif çekirdekler ise helyum ve izotoplarıdır.

Nükleer tepkimeler sonucu açığa çıkan ısı enerjisinin reaktör kalbinden

alınmasına göre; reaktörler, gaz soğutmalı, ağır su soğutmalı, hafif su soğutmalı

ve hızlı üretken reaktörler olarak sınıflandırılabilirler. Reaktör kalbinde

uranyum yakıt çubukları, zincirleme reaksiyonu kontrol eden kontrol çubukları

ve moderatör olarak kullanılan sıvı bulunur.

Nükleer santrallerde uranyum, toryum ve plütonyum atomları kontrollü olarak

parçalanması ile zincirleme reaksiyon başlatılır. Reaksiyonla beraber yüksek

miktarda ısı enerjisi ortaya çıkar. Ortaya çıkan ısı, reaktör içerisindeki suyu

ısıtmakta ve su, eşanjör vasıtasıyla soğutularak tekrar reaktöre

gönderilmektedir. Eşanjörde reaktör suyunu soğutan suyu, soğutma yüksek

sıcaklıklara ulaşarak buhar fazına geçer ve buhar türbini vasıtasıyla ısı enerjisini

mekanik enerjiye dönüştürür. Türbine bağlı alternatörler vasıtası ile elektrik

enerjisi elde edilir. Etkisi azalmış buhar, akarsu veya denizden alınan soğuk su

ile soğutma kulelerinde yoğuşturulan su, çevrime tekrar katılır (Deneysan,

2016).

13

2. KAYNAK ÖZETLERİ

Kwak vd. (2003), 500 MW’lık kombine güç santralinin ekserji ve

termoekonomik analizini yapmışlardır. Santralin her bir ünitesine ekserji ve

ekserji maliyet denklemleri uygulanmıştır. Santralin maliyetlerinin

belirlenebilmesi için bir bilgisayar programı geliştirilmiştir.

Çetin (2006), açık çevrimli gaz türbini modelini esas alarak termodinamik analiz

yapılmıştır. Çevrinin kompresör basınç oranı, türbin giriş sıcaklığı, izentropik

verim ve basınç kayıpları gibi parametrelerinin net güç ve ısıl verimi üzerine

olan etkilerini incelemiştir. Visual Basic programlama dilinde yazılan programla

oluşturulan model çözümlenmiş ve maksimum çevrim performansını veren

optimum tasarım parametreleri belirlenmiştir. Açık çevrimli gaz türbin

sisteminin net gücü ve termik verimi üzerinde en önemli etkiye sahip olan

parametrenin türbin giriş sıcaklığı ile türbin ve kompresör izentropik

verimlerinin olduğu, basınç kayıplarının ise çok fazla etkisinin olmadığı

belirlenmiştir. Her parametre için, net gücü ve termik verimi maksimum yapan

iki farklı kompresör basınç oranının olduğu görülmüştür. Türbin giriş

sıcaklığının ve izentropik verimlerin artmasıyla termik verim ve net gücün

arttığı ve buna bağlı olarak da optimum kompresör basınç oranının yükseldiği

belirlenmiştir.

Çubuğuuzun (2006), mevcut bir gemide Brayton çevrimine göre çalışan LM

2500 gaz türbinini ele almıştır. Bu türbinin kompresör giriş, yanma odası giriş,

türbin giriş ve egzoz sıcaklıklarını kontrol paneli üzerinden DDI (Digital Display

Indicator) vasıtasıyla tespit etmiştir. Bulunan değerler ile kompresör giriş ve

çıkışındaki havanın, yanma odası giriş ve çıkışındaki hava yakıt karışımının ve

yanma odasına girişte yakıtın fiziksel ve kimyasal ekserji değerlerini sayısal

olarak hesaplamıştır. Öncelikli olarak hal noktalarının ekserji değerlerini

hesaplayarak daha sonra toplam ekserji üretimini bulmuştur. Daha sonra, hal

noktalarının ekserji kayıplarını sayısal olarak hesaplamıştır. DDI sisteminden

elde ettiği değerlere göre havayı mükemmel gaz olarak kabul ederek sistemde

yakıt olarak metan gazı kullanmış ve hava yakıt oranı yüzde iki olarak kabul

14

etmiştir. Sistemin termodinamik analizini yaparak, birim zamanda akan akışkan

miktarından bağımsız kompresör işini, türbin işini, sisteme giren ısıyı,

sistemden çıkan ısıyı, çevrimin ısısal verimini ve geri iş oranlarını bulmuştur.

Şen (2006), yaptığı çalışmada linyit yakıtını kullanan mevcut akışkan yatak

kazan teknolojili bir termik santralinin ikinci yasa analizini yapmıştır. Termik

santral sistemin meydana getiren her bir ünite için yaralı güç, tersinir güç ve

tersinmezlik değerler tespit edilmiş ve sistemin genel verimleri bulunmuştur.

Çalışmada, mühendislik sistemlerinde ekserji analizinin uygulanmasının

sistemlerin ilk dizaynı ve ekonomik analizlerinin yapılması açısından önemli

veriler sunacağı vurgulanmaktadır.

Balli ve Aras (2007), Eskişehir’de çalışan bir kombine güç santralinin enerji

analizini yapmışlardır. Kombine güç santralinin ünitelerine kütle ve enerji

denklemleri uygulanmıştır. Toplam enerji çıktısı göz önüne alınarak; gaz türbini

çevrimi, ısı geri kazanımlı buhar jeneratörü, buhar çevrimi ve kombine güç

santralinin ısıl verimlerini sırasıyla; % 95.3, % 83.56, % 76.7 ve % 79.3 olarak

hesaplanmıştır.

Ust vd. (2007), tersinmez bir rejeneratörlü gaz türbini kojenerasyon sisteminin

ekserjetik performans katsayısına göre optimizasyonunu ve performans

analizini yapmışlardır. Santralin toplam ekserji çıktısına göre optimum tasarım

ve performans parametreleri araştırılmıştır.

Aljundi (2009), mevcut bir güç santralinin enerji ve ekserji analizini

gerçekleştirmiştir. Yapılan çalışmada, sistemin her bir ünitesinin ayrı arı olarak

enerji ve ekserji kayıplarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, analizler

üzerine çevre şartlarının etkisi de sunulmuştur. Kazan ve yoğuşturucu da enerji

kayıpları sırasıyla 13 MW ve 134 MW olarak belirlenmiştir. Toplam ekserji

kaybının % 77’si kazanda meydana gelirken, türbinde % 13, yoğuşturucu ise %

9 olarak hesaplanmıştır. Isıl ve ekserjetik verimler ise % 26 ve % 25 olarak

hesaplanmıştır.

15

Erdem vd. (2009), çalışmalarında Türkiye’de bulunan mevcut termik santralleri

enerji ve ekserji bakımından kıyaslamışlardır. Yapılan çalışmada, mevcut

santraller düşük kaliteli kömür yakıtlı santrallerdir. Santraller için

termodinamiksel modeller I. ve II. yasa esas alınarak geliştirilmiştir. Santraller;

ısıl verim, ekserjetik verim, ekserji kaybı ve ekserji performans katsayısı

bakımından karşılaştırılmıştır.

Ersoy (2010), çalışmasında, kurulmakta olan 220 MWe ve 160 MWth güce sahip

bir kombine çevrim kojenerasyon santralinin kısaca tanıtımını yapmıştır. Daha

sonra bu tesise ait ekserji, ekonomi ve ekserjoekonomik analizleri yapılmıştır.

Birim maliyetleri, hem belirli bir değere getirilmiş maliyet analizi yöntemiyle

hem de ekserjoekonomik analiz yöntemiyle hesaplamıştır. Isı maliyetini buhar

türbininden çekilen ara buharın türbinde meydana getirdiği güç kaybı farkını

göz önüne alarak bulmuştur.

Kaushik vd. (2011), kömür ve gaz yakıtlı güç santrallerini enerji ve ekserji

analizleri esas alınarak kıyaslamışlardır. Analiz sonuçları değerlendirilerek, bazı

ünitelerde iyileştirmelerin yapılması gerektiği belirtilmiştir. Kömür ve gaz

yakıtlı güç santrallerinde kazan ünitesinde en yüksek enerji v ekserji kaybının

olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, ünitelerin iyileştirmeleri yapılırken mutlaka

ekonomik açıdan da değerlendirilmesi gerektiği vurgulanmıştır.

Dere (2012), çalışmasında dizel ve hidrojen yakıt karışımlarını kullanan bir

dizel motorunun enerji ve ekserji analizini yapmıştır. Çalışmasında ilk olarak

diğer alternatif yakıtlara göre hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanımının

önemini vurgulamış ve çalışma konusu olan dizel ve hidrojen yakıtlarının

özelliklerinden bahsetmiştir. Enerji ve ekserji analiziyle ilgili açıklamalarda

bulunarak, ekserji analizi ile ilgili yapılmış deneysel bir çalışmanın verilerini

referans almıştır. Deneyde; dizel ve farklı hidrojen miktarlarından (150 cc, 300

cc, 450 cc, 600 cc dolgu ilaveli) oluşan yakıt karışımları kullanmıştır. Motorun

bir çalışma koşullarındaki deney verilerine bağlı olarak örnek hesaplamalar

yapmıştır. Hesaplamalar dahilinde hazırladığı bilgisayar programının sonuçları

grafikler halinde değerlendirmiştir. Çalışmasının sonuçlarını özetleyerek

16

önerilerde bulunmuştur. Çalışmasında yapılan enerji ve ekserji analizine göre

en iyi sonuçlar 600 cc hidrojen ilaveli dizel dolgulu yakıt karışımının

kullanımında elde etmiştir.

Ersayın (2012), çalışmasında bir kombine çevrim güç tesisinin performans

analizini, gerçek çalışma verisine göre yapmış ve tesisi termodinamiğin I. ve II.

Yasalarına göre incelemiştir. Sistemi oluşturan ekipmanlar bazında ekserji

verimlerini ve ekserji kayıp oranlarını bulmuştur. Yaptığı hesaplamalar

sonucunda kombine çevrimin I. yasa verimi % 63.4, II. yasa verimi ise % 59.8

olarak hesaplamıştır. Sistem üzerinde en fazla ekserji kaybının bulunduğu

üniteyi ise yanma odası olarak bulmuştur. Çalışmada elde edilen sonuçlara göre

sistem üzerinde yapılabilecek iyileştirme önerilerini de belirtmiştir.

Ilık (2012), doğalgaz yakıtı ile çalışan bir trijenerasyon sisteminin enerji ve

ekserji analizini yapmıştır. Her bir nokta için entalpi, entropi, basınç ve sıcaklık

değerleri termodinamik tablolarından bularak tablolar halinde sunmuştur. Yine

her bir ünite için tersinmezlik, entropi üretimi, kayıp kullanılabilir enerji ve

ikinci yasa verimleri hesaplanmıştır. Kojenerasyon sisteminin termodinamik

analizi sonucunda en fazla ekserji kaybının üniteleri yoğuşturucu (% 32), yanma

odası (% 25), atık ısı kazanında (% 23) olduğu görülmüştür. Absorbsiyon

soğutma sisteminde ise en fazla ekserji kaybının yaşandığı üniteler yoğuşturucu

(% 37), generatör (% 31) ve evaporatörde (% 18) olduğunu tespit etmiştir. 91

MW elektrik enerjisi üreten kojenerasyon sisteminin ısıl verimini %32, ekserji

verimini ise % 39 olarak hesaplanmıştır. Absorbsiyonlu soğutma sisteminde ise

ısıl verimi % 63, ekserji verimini % 11 soğutma performans katsayısını ise

0.753 olarak hesaplamıştır.

Güngör (2013), bir dizel motorlu kombine çevrim santralinin ekserji analizini

yapmıştır. Bunun için 13 dizel motordan ve bir buhar türbininden oluşan bir

kombine çevrim santralini, temel bileşenlerine indirgemiştir. Bu bileşenlerin

giriş ve çıkış noktalarında sıcaklık, basınç ve debi değerleri kullanılmıştır. Bu

değerler vasıtasıyla termodinamik özelikleri, termodinamik özelikler vasıtasıyla

da noktaların ekserji değerleri hesaplanmıştır. En yüksek ekserji kaybının,

17

bileşenler için hesaplanan tüm kayıpların % 70’i ile dizel motorlarda

oluştuğunu, 2. en yüksek kaybın yaklaşık % 7’si ile turbo kompresöründe, 3. en

yüksek kaybın ise yaklaşık % 6’sı ile sülfürden arındırma ünitesinde oluştuğunu

hesaplamıştır. Santrale giren birim yakıt ekserjisinin % 43-44’ünün güç

üretiminde kullanıldığını, % 44-46’sının motor bloğu ve ona bağlı ekipmanlarda

tüketildiği saptanmıştır. Bu tüketimin en yüksek oranda, toplam yakıt

ekserjisinin yaklışık % 35’i ile motorlarda gerçekleştiği belirlenmiştir. Yakıt

ekserjisinin % 3’ünün buhar çevrimindeki ekipmanlarda, % 5’inin egzoz

arındırma bölümlerinde, kalan % 2-4’ünün ise bu çalışmada ihmal edilen diğer

ekipmanlarda kaybedildiğini değerlendirmiştir. Son olarak santralde atık

ısıların değerlendirilmesi için soğuk günler ve sıcak günler için iki öneride

bulunarak bu önerileri çeşitli hesaplarla kabaca tartışmıştır.

Durmusoglu ve Ust (2014), çalışmalarında tersinmez bir rejeneratif kapalı

Brayton çevriminin termoekonomik analizini yapmışlardır. Çevrimi net çıkış

gücü ve toplam maliyet oranına göre optimize etmişlerdir. Toplam maliyet

oranı; yakıt, yatırım, çevre, işletme ve bakım maliyeti oranlarını içermektedir.

Elde edilen sonuçların pratikte kullanılan Brayton çevrimleri için faydalı olacağı

belirtilmiştir.

Goodarzi vd. (2014), yaptıkları çalışmada rejeneratörlü Brayton ve ters Brayton

çevrimlerini rejeneratörsüz bir çevrime göre ısıl verimlilik bakımından

kıyaslamışlardır. Rejeneratörlü Brayton ve ters Brayton çevrimleri, rejeneratöre

giren havanın kısmi olarak by-pass edilmesiyle iyileştirilmiştir. Kompresör

basınç oranları esas alınarak, by-pass edilen havanın kütlesel debisinin

çevrimlerin performansına olan etkileri analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlara

göre, birinci kompresörün basınç oranı arttıkça ısıl verim ve net güç

artmaktadır.

Uludağ (2014), çalışmasında, kurulmakta olan güç santrali (Ege Elektrik Üretim

A.Ş.) için ekserji analizi ve ASPEN Plus simülasyon programı kullanılarak ısı ve

güç entegrasyonunun, farklı basınç kademeli atık ısı kazanlarındaki

performansları değerlendirilmiştir. Üç farklı tip atık ısı kazanı ekserji kaybı

18

bakımından kıyaslandığında, her birinin ekserji kaybının neredeyse birbiriyle

aynı olduğu gözlemlermiştir. Ekserji kaybının birbirine yakın olmasının

sebebinin, bacadan atılan ısının göz ardı edilmesinden kaynaklandığı

belirtilmiştir. Enerji üretimi ve verimlilikleri açısından karşılaştırma yaptığında,

üç basınç kademeli atık ısı kazanının, tek ve çift basınç kademeli atık ısı

kazanlarına göre daha verimli olduğu görülmüştür. Tek basınç kademeli atık ısı

kazanında enerji üretim miktarını yaklaşık olarak 507 MW, çift basınç kademeli

atık ısı kazanında enerji üretim miktarını yaklaşık olarak 530 MW, üç basınç

kademeli atık ısı kazanında enerji üretim miktarını yaklaşık olarak 598 MW

olarak hesaplamıştır. Sırasıyla tek, çift ve üç basınç kademeli atık ısı

kazanlarında ekserji verimliliğini yaklaşık olarak % 46, % 62 ve % 77 olarak

hesaplamıştır. Ayrıca baca çıkış sıcaklıklarını sırasıyla, tek basınç kademeli atık

ısı kazanında 380 °C, çift basınç kademeli atık ısı kazanında 163 °C, üç basınç

kademeli atık ısı kazanında 147 °C olarak hesaplamıştır.

Bolatturk vd. (2015), Çayırhan termik santralinin termodinamik ve

eksergoekonomik analizlerini yapmışlardır. Santralin her bir ünitesinin giriş ve

çıkış noktalarının termodinamik özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen özellikler

yardımıyla, santralin ısıl ve ekserjetik verimleri sırasıyla % 38 ve % 53 olarak

bulunmuştur. Santralde en yüksek ekserji kayıpları sırasıyla kazan, türbin

grupları, yoğuşturucu, ısıtıcı grubu ve pompa grupları olarak belirlenmiştir.

Ekserji maliyetleri kaybı ise sırasıyla kazan, türbin grubu ve yoğuşturucu olarak

görülmektedir. Eksergoekonomik faktörler incelendiğinde, en yüksek faktör

türbin grubunda hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, santral ünitelerinin

iyileştirilmesi için çözüm önerileri sunulmuştur.

Çınar ve Çakır (2015), çalışmalarında, Zonguldak ilinde faaliyet gösteren ve her

biri 600 MW gücündeki iki üniteden oluşan kömür yakıtlı bir süperkritik termik

santral olan Eren Elektrik Üretim A.Ş. Termik Santrali’ nin enerji ve ekserji

analizini yapmışlardır. Ekserji kaybının yüksek olduğu üniteler tespit ederek

geliştirme potansiyelleri saptamış ve verimlilik arttırıcı çözüm önerileri

sunulmuştur. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, santral ünitesinin enerji ve

ekserji verimleri sırasıyla % 41.12 ve % 38.46 olarak hesaplanmıştır. En yüksek

19

ekserji kaybının 846.05 MW ve % 88.72 değeri ile kazanda meydana geldiğini

tespit etmişlerdir. Buna paralel olarak en düşük ekserji veriminin % 61.08 ile

kazanda olduğunu görmüşlerdir. Dolayısıyla 457.79 MW ile geliştirme

potansiyeli en yüksek ekipmanın kazan olduğu görülmüştür. Yoğuşturucudan

soğutma suyu ile denize atılan ısının ise enerji analizine göre miktar olarak fazla

olmasına rağmen, ekserji veriminin (% 77.32) daha yüksek olduğunu

belirlemişlerdir.

Vandani vd. (2015), çalışmalarında İran’daki mevcut bir santralin enerji ve

ekserji analizi yapmışlardır. Yapılan çalışmada santrale uygulanacak olan ısı geri

kazanımı ünitesinin santralin performansına olacak etkileri araştırılmıştır.

Santralin verimindeki artışın belirlenebilmesi için iki farklı optimizasyon

algoritması oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre; eklenecek olan sistem

ile net güçte % 0.72, enerji ve ekserjetik verimlerde ise sırasıyla % 23 ve % 22

oranında artış sağlanacağı belirtilmiştir.

20

3. MATERYAL VE METOT

Dünyada enerjiye olan talebin artmasına paralel olarak enerji üretiminde amaç;

kaliteli, güvenilir ve ekonomik enerji üretimi olmalıdır. Ülkelerin enerji

politikalarındaki amaç, sürdürülebilir enerji üretimi olmalıdır. Bu sebeple güç

üretim sistemlerinde enerji kayıplarının yerinin ve büyüklüğünün saptanması

büyük önem kazanmaktadır. Mühendislikte, termodinamiğin 2. kanununa

dayanan ekserji analizi; enerji kayıplarının yerini ve büyüklüğünü,

kullanılamayan enerjiyi ve doğal kaynakların verimsiz şekilde kullanılmalarını

başarıyla tespit etmektedir. Bu amaçla tez çalışmasında, Aliağa Gaz Türbinleri

ve Kombine Çevrim Santrali üzerinde, alınan gerçek datalar doğrultusunda

enerji ve ekserji analizi uygulanmıştır. Uygulanan analizlerle, tesisteki ünitelerin

enerji ve ekserji kayıplarının yerleri ve büyüklükleri tespit edilmiştir. Tespit

edilen sonuçlara göre, santralin ünitelerinde uygulanması gereken iyileştirmeler

belirlenmiştir. Tez çalışmasında belirlenen iyileştirmeler çözüm önerileri

halinde sunulmuştur.

3.1. Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santrali Tanıtımı

1974 yılında 4x30 MW gücünde gaz türbinlerinin tesisi planlanmış olup, 1. ve 2.

üniteler 1975 yılında, 3. ve 4. üniteler ise 1976 yılında işletmeye alınmıştır.

Ayrıca bu ünitelerin 500 0C sıcaklığında baca gazından yararlanarak

çalıştırılmak ve kurulmuş olan ünitelerin verimini arttırarak, üretim maliyetini

büyük oranda azaltmak amacıyla 1976 yılında 2x30 MW gücünde buhar çevrim

ünitesi montajı planlanarak işletmeye alınmıştır. Santralin toplam kurulu gücü

180 MW, nominal yıllık üretim kapasitesi ise 1.266.000.000 kWh'tır.

Şekil 3.1'de görüldüğü gibi, 4 adet gaz türbini 2 şerli gruplar halinde iki ayrı

binaya yerleştirilmiştir. Birinci ve ikinci gaz türbini (GT1-2) işaret ile yeri

gösterilmiştir. Üçüncü ve dört üncü gaz türbini (GT3-4) işaret ile yeri

gösterilmiştir. Ayrıca 2 adet olan buhar türbini binalarının her biri de gaz

türbini binalarının yanına tesis edilmiştir.

21

Şekil 3.1. Santralin üsten görülüşümü

Santralin daha ucuz ve çevreyi kirletmeden enerji üretebilmesi amacıyla, yakıt

olarak doğalgazın kullanılmasına karar verilmiştir. Gerekli rehabilitasyon

çalışmaları sonucu birincil yakıt olarak doğalgaz kullanılmaya başlanmıştır.

Tesiste ana yakıt olarak kullanılan doğalgaz, BOTAŞ’tan boru hatları vasıtası ile

temin edilmektedir. Yine tesiste yakıt olarak kullanılan motorin ise TÜPRAŞ

rafinerisinden boru hattı vasıtasıyla alınarak akaryakıt tanklarında

depolanmakta, buradan da gaz türbinlerine verilmektedir.

3.1.1. Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santralin Çalışma Prensibi

Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santralinin tesis şaması Şekil 3.2'de

gösterilmiştir. Çevrim santrali 4 adet gaz türbini ve gaz türbinlerinden çıkan

egzoz gazı ile ısıtılan 4 adet atık ısı kazanı, 2 adet buhar türbini ve gerekli yan

sistemlerinden oluşmaktadır.

G.T. 1-2

KÇ12

G.T. 3-4

KÇ 34

22

Şekil 3.2. Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santralinin tesis şaması

23

Buhar kazanı, egzoz gazı ile ilk temas eden kısımda kızdırıcı sonra buharlaştırıcı

(yüksek basınç evaporatörü), ekonomizer ve daha sonra alçak basınç

evaporatörü bölümlerinden oluşmaktadır. Egzoz gazları 2 adet baca gaz kapağı

ile istenirse atmosfere atılmakta, istenirse atık ısı kazanına girmektedir.

Kapaklardan birisi by-pass ile gaz türbini baca girişine diğer kapak ise atık ısı

kazanı girişindeki kanala yerleştirilmiştir. By-pass kapağı kapanıp kanal

girişindeki kapak açıldığında atık ısı kazanına gelen 500 °C sıcaklığındaki egzoz

gazları, kazandaki suyu 29 bar basınç ve 460 °C’ ye kadar ısıtarak kızgın buhar

haline dönüştürülmektedir.

Santralde bulunan kazan; buhar domlu kazan olup, kızdırıcı, yüksek basınç

evaporatörü, ekonomizer ve yüksek basınç evaporatörü olmak üzere 4

kademeden oluşmaktadır. Kazanın devreye alma işlemi için gerekli olan saf su

besleme pompalarıyla kazan besleme tankına degazör üzerinden alınır. Degazör

bu aşamada su içerisindeki istenmeyen gazları tasfiye eder. Kazan besleme

tankına gelen su; kazan besleme pompaları yardımı ile ekonomizere basılır.

Ekonomizere basılan su yüksek basınç buhar domuna gönderilir. Bu aşamadaki

su akışı için gerekli basınç besleme suyu pompası basıncıyla sağlanır. Yüksek

basınç domundaki su-buhar karışımı yüksek basınç sirkülasyon pompaları

vasıtasıyla yüksek basınç evaporatörüne basılır. Kazan besleme tankındaki su,

alçak basınç sirkülasyon pompalarıyla alçak basınç evaporatöründen geçirilerek

sıcaklığı yükseltilip tekrar kazan besleme tankına gönderilir. Yüksek basınç

evaparatöründen elde edilen basınçlı doymuş buhar yüksek basınç buhar domu

üzerinden kızdırıcı kademesine geçerek kuru buhar halinde türbine

gönderilmeye hazır hale getirilir. Buhar türbinine gönderilen kuru buhar, türbin

kanatlarına hareket vererek türbin devrinin 3000 d/d ya gelmesi sağlanır.

Türbin kanatlarına çarparak hareket veren kuru buhar yoğuşturucuya düşerek

yoğuşma sağlanır ve kapalı çevrim sirkülasyon pompasıyla tekrar make-up

tankına gönderilerek proses tekrarlanır. Kapalı çevrim ile belirli bir entalpi

değerine sahip suyun tekrar kullanılması sağlanarak enerji tasarrufu sağlanır.

Buhar türbinini 0 d/d dan 3000 d/d ya gelinceye kadar gelen aşamada öncelikle

yatak yağlama pompaları çalıştırılarak yatak yağlama basıncının en az 1.8 bar'a

getirilmesi sağlanır. Daha sonra 1.8 bar değerindeki yağ basıncı ile ana stop

24

valfleri açılmakta ve türbin ısıtma şartları sağlandıktan sonra reglaj valfleri

açılarak buhar türbinine yol verilmektedir. Buhar türbini 3000 d/d ya

geldiğinde ikaz sistemi jeneratörü ikazlanarak jeneratör voltajı 10500 V'a

getirilerek, sistem frekansı ile jeneratör frekansı eşitlenerek enterkonnekte

sisteme girilir. Buhar türbini devreye girerek elektrik üretimi sağlanır. Buhar

türbinin belirtilen şartlarda çalıştırılması için gerekli buhar basıncı 30 bar ve

her MW için 3 ton kuru buhara ihtiyaç vardır.

Kazanlarda ilave bir yakıt söz konusu değildir. Kızgın buhar ana buhar

borularıyla 120 ton/h kapasiteli türbine gönderilmekte olup, burada mekanik

enerjiye, türbin miline bağlı olan jeneratörde ise elektrik enerjisine

dönüştürülmektedir.

Her paket ünitenin 2 adet gaz türbini tam kapasite ile çalıştırıldığında, buhar

türbininde tam kapasite ile çalışması mümkün olmaktadır. Böylece bir paket

ünitenin toplam gücü 90 MW’a ulaşmaktadır. Her bir kazanın tam kapasiteli

buhar üretimi, buhar santrali jeneratöründe 15 MW’lık elektriksel güce

dönüşmektedir.

Kombine çevrim santralinin yoğuşturucusunda, soğutma suyu olarak deniz suyu

kullanılmaktadır. Santral sahasına 800 m uzaklıkta TÜPRAŞ sınırları içinde olan

deniz suyu, pompa istasyonundaki pompalarla yoğuşturucuya

gönderilmektedir. Gönderilen deniz suyu, çürük buharın ısısını aldıktan sonra

yaklaşık 10 °C’lik bir sıcaklık artışı ile tekrar denize verilmektedir.

Yoğuşturucudan çıkan sıvı su ise tekrar kazana verilmektedir. Kazanlarda

kullanılan su, TÜPRAŞ’ tan temin edilen ham suyu işleyen su tasfiye ünitesinden

sağlanmaktadır. Soğutma suyu istasyonunda 3 adet pompa bulunmaktadır.

Deniz suyu, soğutma suyu istasyonundan boru hattıyla kondersere gelmektedir.

Konderser için gerekli olan soğutma suyu miktarı 7700 m³/h ve soğutma

suyunun pompa çıkış basıncı en az 2.2 bar olarak tasarlanmıştır. Yoğuşturucu

ise içerisinde bulunan toplam 6500 adet boru ile türbinden gelen buharı

yoğuşturma görevini üstlenmiştir.

25

3.2. Termodinamik analizler

3.2.1. Enerji ve ekserji

Thomas Young tarafından 1807’de enerji terimi ortaya atılmış ve 1852'de Lord

Kelvin tarafından termodinamikte kullanımı önerilmiştir( Çınar ve Çakır, 2015).

Termodinamik, enerji bilimi olarak tanımlanabilir. Termodinamiğin birinci

yasasına göre enerji vardan yok, yoktan var edilemez, ancak enerji şekil

değiştirebilir, transfer edilebilir. Enerjinin tüm bu faaliyeti esnasında toplam

enerji her zaman sabit kalır.

Sistemle çevresinin etkileşimi sırasında, sistem tarafından kazanılan enerji,

çevre tarafından kaybedilen enerjiye eşit olmak zorundadır. Fakat etkileşim

esnasında hal değişimleri belirli bir yönde gerçekleşirken, tersi yönde

gerçekleşmez. Oysa birinci kanun, hal değişimlerinin yönü üzerine bir kısıtlama

koymaz. Birinci yasanın bu yetersizliği termodinamiğin ikinci kanunu ile

kapatılır (Ersoy, 2010).

Termodinamiğin ikinci yasası, enerjinin niceliğinin yanında niteliğinin de

olduğunu vurgulayarak termodinamik hal değişimlerinin hangi yönde

gerçekleşebileceğini belirler. Enerjinin niteliğini koruyabilmek mühendislerin

başlıca amaçlarından bir tanesidir. Bir enerji kaynağının işe dönüşme

potansiyeli bulunan faydalı kısmını ifade eden ekserji olgusu, bu niteliğin ölçüsü

durumunda ve ekserji tahrip edilebilmekte ve bu tahribat, sistem içindeki

tersinmezliklerin sonucu olarak meydana gelmektedir (Güngör, 2013).

Ekserji terimi, 1824 yılında Carnot tarafından kullanılmıştır. Kelimenin kökeni

Yunanca olup ex (dış) ve argon (kuvvet ve iş) kelimelerinden türetilmiştir.

(Wall, 1998). Ekserji analizi konusundaki çalışmalar ise Gouy ve Stodala ile

başlamıştır. Bu yüzyılın başlarında, Jouguet, Lewiss ve Randall, DeBaufre,

Darrieus, Keenan, Lerberghe ve Glansdorf gibi bilim adamlarının

termodinamiğin ve ekserji kavramının gelişimine büyük katkıları olmuştur.

1935’de Bosnjakovic, ekserji kavramının sistemlerin termodinamik

analizlerinde uygulama çalışmalarını başlatmıştır (Ersoy, 2010).

26

Termodinamik sistemlerin analizinde termodinamiğin birinci ve ikinci

kanunları birlikte değerlendirilerek analizlerinin yapılması gerekmektedir.

Birinci kanun enerji dengesini, ikinci kanun ise tersinmezlik, entropi üretimi ve

daha ileri aşamada ekserji analizini ele almaktadır.

3.2.2. Termodinamik analiz sistemleri

Termodinamik sistemler kütle ve enerji alışverişine göre ikiye ayrılmaktadır:

1. Kapalı Sistem: Kütle alışverişine kapalı, yalnızca enerji alışverişi açık

olan sistemlerdir. Kapalı bir sistemin görünümü Şekil 3.3'te

gösterilmiştir.

Şekil 3.3. Kapalı sistem

2. Açık Sistem: Şekil 3.4'te gösterilen açık sistemde, sistem ile ortam

arasında hem enerji hem de kütle alışverişi yapabilmektedir (Akdağ,

2009).

27

Şekil 3.4. Açık sistem

Açık sistem aynı zamanda iki sınıfa ayrılmaktadır.

Düzgün akışlı dengeli açık sistemde (DADAS); akışkanın kontrol

hacminden giren veya çıkan verilen noktanın kapasite veya şiddet

özellikleri zamanla değişmektir.

Sürekli akışlı açık sistemde (SAAS); akışkanın kontrol hacminden sürekli

bir akışı var olmakla beraber bir zaman süresince sisteme giren veya

çıkan, verilen bir noktanın kapasite veya şiddet özellikleri zamanla

değişmez.

∑ ∑

28

Kapalı ve açık sistemler Şekil 3.5'te görüldüğü gibi adyabatik olabilmektedirler.

Sistemle ortam arasında ısı alışverişi olmamaktadır.

Şekil 3.5. Adyabatik (yalıtılmış) sistem

3.2.3. Açık sistemlerde enerji korunumu

Termodinamiğin Birinci Yasası, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasını ifade

etmekte ve enerjinin termodinamikle ilgili bir özellik olduğunu

vurgulamaktadır.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasına göre, enerji yok edilemez veya

yoktan var edilemez, ancak değişik fiziksel ve kimyasal işlemlerle bir enerji

biçiminden diğer enerji biçimine dönüşür. Bu dönüşüm sırasında enerjinin

miktarı sabit kalır (Dere, 2012). Böylece sürekli akışlı açık sistemde, kontrol

hacmine ısı, iş kinetik, potansiyel veya kütle akışı olarak giren ve çıkan toplam

enerji eşittir:

∑ (

)

∑ (

)

29

Burada, girişi, ç çıkışı göstermekte olup, ve sırasıyla, sisteme giren ve

çıkan ısıdır. ve , giren ve çıkan kütlesel debisi, ise açık akışlı sistemdeki

giriş ve çıkıştaki entalpi değerleridir.

sisteme giren ve çıkan kinetik

enerjidir. Potansiyel enerji ise ile gösterilmiştir. Enerji denklem ifadesinde

kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilirse:

∑ ∑

elde edilir. Sisteme aktarılan birim zamandaki , sistemin ürettiği biliniyor

ise enerji dengesi,

∑ ∑

şeklinde yazılabilir. Bir girişli ve bir çıkışlı sürekli akışlı açık sistem için (3.9)

no’lu denklem kütle debisi " " ile bölünürse,

şeklinde elde edilir (Çengel ve Boles, 2008).

3.2.4. Termodinamiğin II. yasası ve entropi

Bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için termodinamiğin birinci ve ikinci

yasalarının sağlanması zorunludur. Termodinamiğin ikinci yasası, enerjinin her

zaman daha kullanışlı formdan, daha kullanışlı forma dönüşeceğini ifade eder.

Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:

Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin,

yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır (Kelvin

Planck).

30

Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan ve düşük sıcaklıktaki

bir cisimden aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme aktarmak dışında

hiçbir enerji etkileşiminde bulunmayan bir makine tasarlamak

olanaksızdır (Clausius).

Termodinamiğin ikinci kanunu ile yapılan çalışmalar neticesinde % 100 verimle

çalışan makinalar bulunmamaktadır. Makinelere verilen enerjinin bir kısmı,

makina içi sürtünmeler vasıtasıyla ısıya dönüşmektedir. Kaybolan ısı ise hiç bir

zaman enerji olarak tekrar elde edilemez.

Termodinamiğin ikinci yasasının en önemli özeliği entropidir. Entropi terimini

ilk kez Clausius’un tarafından kullanılmıştır. Bu yasayla; enerjinin sürekli, daha

çok kullanılabilir bir formdan daha az kullanılabilir bir yapıya doğru değiştiği

ifade edilmektedir. Bir sisteme veya bir sistemden olan entropi geçişi iki şekilde

gerçekleşmektedir. Bunlar; ısı geçişi ve kütle akışıdır. Her hangi bir sisteme olan

ısı geçişi, o sistemin entropisini arttırır. Bu neden ile moleküler düzensizlik veya

rastgelelik artarken bir sistemden olan ısı geçişi ise bunu azaltır.

Bir termodinamik özelik olan entropi "s" ile gösterilir ve aşağıdaki gibi

tanımlanır;

(

)

Q/T’nin boyutu, bir sisteme ısı geçişinin eşlik ettiği entropi geçişini ifade

etmektedir. Entropi geçişinin yönü, mutlak sıcaklık her zaman pozitif bir

büyüklük olduğundan ısı transferi yönü ile aynıdır. Isı ile entropi geçişi,

adyabatik sitemler için sıfırdır.

Bir sistemin entropi ve enerji içerikleri de kütle ile orantılıdır. Bir sisteme veya

bir sistemden dışarı doğru olan entropi ve enerji geçişi, madde akımları ile

gerçekleşmektedir. Ayrıca, sistem içine ya da sistem dışına entropi ve enerji

taşınma hızları, kütle akış hızı ile orantılıdır. Kütle akışı ile gerçekleşen entropi

geçişi (Coşkun, 2011),

31

ile hesaplanmaktadır. Açık sistemler için genel entropi dengesi, aşağıdaki

şekilde ifade edilmektedir;

∑

∑ ∑

Kombine çevrim santrallerinde, kompresörler, türbinler, ısı değiştiricileri gibi

ünitelerinde kontrol hacmin entropisinde değişim meydana gelmez. Bu nedenle,

sürekli akışlı hal değişimi için entropi dengesi aşağıdaki gibi yazılabilir:

∑ ∑ ∑

Eğer sistemde tek bir giriş ve çıkış var ise, entropi dengesi, (Çengel ve Boles,

2008).

( )

ile hesaplanır.

3.2.5. Ekserji analizi

Ekserji; bir sistemin referans bir çevreyle denge haline gelinceye kadar, madde

veya enerji akışıyla üretilebilecek maksimum miktarda iş olarak

tanımlanmaktadır. Ayrıca ekserji, referans çevreye göre tamamen kararlı

dengede olmamanın sonucu olarak, değişime neden olan akış ya da sistemin iş

yapabilme potansiyelinin bir ölçüsüdür. Ekserji, herhangi bir termodinamik

yasasına karşı gelmeden bir düzeneğin verebileceği işin miktarındaki üst sınırı

temsil etmektedir. Bir sistemde üretilen veya dağıtılan gerçek iş ile ekserji

arasında küçük veya büyük miktarlarda her zaman bir fark oluşacağı gibi, bu

32

fark sistemlerin geliştirilmesi ya da iyileştirilmesi için mühendislerin sahip

olduğu olanağı temsil etmektedir.

Ekserji sadece sistemin değil, sistem - çevre birleşiminin bir özelliğidir. Bir

enerji kaynağından alınabilecek kullanılabilir iş, kaynağın bulunduğu çevrenin

durumuna bağlıdır. Kaynak ve çevre arasındaki fark ne kadar büyükse

sistemden alınacak iş de o kadar büyük olur (Rosen vd, 2004). Bu sebeple,

çevreyi değiştirmek ekserjiyi arttırmanın diğer bir yoludur (Çınar ve Çakır,

2015).

Sistemden elde edilebilecek en çok işi elde edebilmek için hal değişimi sonunda

sistemin ölü halde olması gerekir. Bir sistemin ölü halde olması, çevresiyle

termodinamik dengede bulunması anlamına gelir. Ölü haldeyken sistem, çevre

sıcaklığında ve basıncındadır. Başka bir deyişle, çevreyle ısıl ve mekanik

dengededir. Ayrıca, sistemin çevresine göre kinetik ve potansiyel enerjileri

sıfırdır. Bu durum, hızın ve bir referans noktasına göre yüksekliğin sıfır olması

anlamına gelmektedir.

Ekserji, nükleer, manyetik, elektriksel ve yüzey gerilme etkilerinin olmaması

durumunda; fiziksel, kinetik, potansiyel ve kimyasal ekserji bileşenlerinden

oluşmaktadır.

(3.16) no'lu denklemde görüldüğü, fiziksel ekserji, kinetik ekserji,

potansiyel ekserji, kimyasal ekserji terimlerini göstermektedir. Aynı

zamanda bu terimler ekserji türlerini belirlemektedir.

3.2.5.1. Kinetik ekserji

Mekanik enerjinin bir şekli olup, madde akışının kinetik ekserjisi, düzenli bir

enerji formudur. Kinetik ekserji, çevrenin sıcaklık ve basınç değerlerinden

bağımsızdır. Bundan dolayı da tamamen işe dönüştürülebilir. Kinetik enerji

33

değeri, çevresel referans düzeyine göre hesaplanırsa kinetik ekserji değerine

eşit olur.

(3.18) no'lu denklemde, , kütlesel debi (kg/s), V /s adde akışının hı ıdır

3.2.5.2. Potansiyel ekserji

Mekanik enerjinin bir şekli olup, sıcaklık ve basınç değerlerinden bağımsızdır.

Bu nedenle potansiyel enerjinin tümü işe dönüştürülebilir. Potansiyel ekserji,

düzenli bir enerji formudur,

(3.20) no'lu denklemde, yerçekimi ivmesini, z (m) ise sistemin bulunduğu

ortamdaki referans düzlemine göre göreceli yüksekliği göstermektedir.

3.2.5.3. Fiziksel ekserji

Fiziksel ekserji, sıcaklık ve basıncı bilinen bir sistemin, çevre şartları (P0,T0) ile

dengeye getirildiğinde elde edilecek maksimum iş olarak tanımlanır (Kotas,

1985). Bir akımın özgül fiziksel ekserjisi;

34

olarak yazılabilir. Burada, h ve s sırasıyla mevcut durumdaki entalpi ve entropi,

0 indisi ise ölü halı göstermektedir. Bir akış sırasındaki iki nokta arasındaki

fiziksel ekserji farkı ise aşağıdaki denklemlerle;

( ) ( )

[( ) ( )]

ifade edilmektedir (Güngör, 2013).

3.2.5.4. Kimyasal ekserji

Kimyasal ekserji; bir kütlenin çevre ile kimyasal dengeye (ölü hal) gelinceye

kadar ısı transferi ve kütle alışverişinden dolayı elde edilebilecek maksimum iş

olarak tanımlanır (Çınar ve Çakır, 2015). Elde edilebilecek maksimum iş,

sistemin ya da maddenin sınırlı denge halinden, denge haline geçmesiyle

mümkündür. Çevre dengesi ( , ) iken saf bileşenlerin konsantrasyonlarının

kısmi basınçlar aracılığıyla ( ), her bir bileşenin kimyasal ekserjileri ideal gaz

için aşağıda verilen (3.24) no'lu denklemle hesaplanır (Özgener ve Hepbaşlı,

2015).

(

)

Burada; R üniversal gaz sabiti (8.314 kJ/kmolK) olup, P00,i ise, ideal gazın kısmi

basıncı göstermektedir. Gaz karışımlarının kimyasal ekserjileri de standart

kimyasal ekserji değerleri kullanılarak (3.25) no'lu denklem ile

hesaplanmaktadır;

∑ ∑

35

Burada, yakıtın özgül kimyasal ekserjisi. yakıtın standart özgül

kimyasal ekserjisi. Yakıtların kimyasal ekserjileri, yakıtı oluşturan bileşenlere

bağlı olarak hesaplanmaktadır. Bu sebeple bir yakıtın kimyasal ekserjisi, yakıt

ekserjisinin yakıtın alt ısıl değerine oranı olarak (Szargut vd., 1988),

hesaplanmaktadır. (3.26) no'lu denklemde, yakıtın özgül kimyasal

ekserjisi, LHV ise yakıtın alt ısı değerini göstermektedir. Katı bir fosil yakıt için

kullanılan kimyasal ekserji denklem,

şeklindedir. (3.27) no'lu denklemde olan, y değerleri karbon, hidrojen, oksijen

ve azotun yakıt içerisindeki kütlesel oranını ifade etmektedir. Bu ifade yukarıda

belirtilmiş olan O/C oranını sağlayan odun haricindeki katı fosil yakıtların

büyük bir bölümü için ±%1 sapma ile uygulanabilmektedir (Güngör, 2013).

Odunun O/C oranı “2,67 > O/C >0,667” aralığında bulunan nem içermeyen fosil

katı yakıtlar için ise aşağıdaki ifade yine ±%1 sapma ile uygulanabilir;

(

)

şeklinde ifade edilmektedir. Kükürt’ün etkisi de dikkate alınarak sıvı yakıtlar

için kimyasal ekserji oranı ise ±%0.38 sapma ile aşağıdaki gibi

hesaplanmaktadır:

(

)

36

3.2.6. Kullanılabilirlik

Herhangi bir enerji kaynağı kullanılacağı zaman, ilk yapılan işlemlerden biri

kaynakta bulunan enerjinin miktarını yaklaşık olarak belirlemektir. Asıl

bilinmesi gereken, kaynağın iş potansiyeli veya kaynağın iş yapma olanağıdır.

Başka bir deyişle, kaynakta var olan enerjinin ne kadarının kullanılabilir işe

dönüştürülebileceğinin bilinmesi gerekir. Enerjinin geri kalanı veya işe

dönüştürülemeyen bölümü, sonuçta atık ısı olarak çevreye verileceği için önem

taşımamaktadır.

Bir sistemden elde edilebilecek en çok iş, sistem belirli bir başlangıç halinden,

tersinir bir hal değişimiyle çevrenin bulunduğu hale (ölü hale) getirilirse elde

edilir. Bu değer, sistemin verilen başlangıç halinde, yararlı iş potansiyelini veya

iş yapma olanağını göstermekte ve kullanılabilirlik olarak adlandırılmaktadır

(Coşkun, 2011).

Herhangi bir akışın kullanılabilirliği:

ile ifade edilebilir. Bu denklemde kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilirse,

akışın kullanılabilirliği fiziksel ekserjiye denklem (3.21)'de görüldüğü gibi eşit

olacaktır.

Kayıp kullanılabilir enerji, sürekli açık akışlı bir sistem (SAAS) için;

(

) ∑ ∑ ∑

şeklinde ifade edilir. Burada sürekli akışlı açık sistemlerin sınırları sabit olup

çevre işi söz konusu olmadığından sistemde yapılan gerçek iş faydalı işe eşittir.

37

(

)

Sürekli açık akışlı sistemlerde (

) , Ayrıca herhangi bir andaki kayıp

kullanılabilir enerji tersinmezliğe eşittir.

3.2.7. Tersinir iş ve tersinmezlik

Tersinirlik, bir yönde gerçekleştikten sonra, çevrede herhangi bir iz bırakmadan

tersi yönde gerçekleştirilebilen bir hal değişimi olarak tanımlanır. Başka bir

deyişle, ters yöndeki hal değişimi gerçekleştikten sonra hem sistem hem de

çevre ilk haline geri dönmektedir. Bu durum, her iki yöndeki hal değişimleri

sonunda, sistem ve çevresi arasındaki net ısı ve iş etkileşiminin sıfır olması

durumunda olanaklıdır (Çengel ve Boles, 2008).

Açık akışlı sistemlerde tersinir iş, belirli iki hal arasında elde edilebilecek en çok

yararlı iş diye tanımlanmakta,

∑ (

)

∑ (

)

ile ifade edilmektedir. (3.34) no'lu denklemde kinetik ve potansiyel enerjileri

ihmal edilirse,

∑ ( ) ∑ ( )

haline gelmektedir. Açık bir sistem için tersinir güç,

38

formülü ile hesaplanmaktadır. (3.36) no'lu denklem birim kütle için,

ile ifade edilebilir. Bir hal değişiminin tersinmez olmasına neden olan etkenlere

tersinmezlik adı verilmektedir. Tersinmezlik, tersinir iş ile gerçek iş arasındaki

farktır. Güç üreten bir sistem için hal değişimi esnasında birim zamanda oluşan

tersinmezlik,

ile hesaplanmaktadır. Güç tüketen bir sistem için tersinmezlik,

şeklinde ifade edilmektedir. Tersinmezlik, (3.40) no'lu denklemde görüleceği

gibi üretilen entropiyle doğru orantılıdır:

3.2.8. Birinci ve ikinci yasa verimi

Isı makineleri, soğutma makineleri ve ısı pompaları gibi makinelerin çalışma

etkinliklerinin bir ölçüsü olarak verim ifadesi tanımlanmaktadır. Isı makinesine

girilen ısıl enerjinin net işe dönüşebilen bölümü her zaman girilen ısıl enerjiden

daha küçüktür. Isıl verim, birinci yasaya göre sisteme verilen herhangi bir

enerjiye karşı (ısı, güç, enerji vb.) elde edebildiğimiz kazanç olarak açıklanabilir:

Isı makineleri için ısıl verim,

39

ile belirlemektedir. (3.42) no'lu denklemde bulunan ifadesi,

şeklinde yazılmaktadır. İkinci yasa verimi genel bir tanımlama ile

ş

şeklinde ifade edilmektedir. Birinci yasa verimi, en iyi ölçü olarak alamadığı için

yanlış değerlendirmelere yol açabilir. Bu yetersizliği gidermek için ikinci yasa

veriminin tanımlanmasına ihtiyaç duyulmaktadır. İkinci yasa verimi, ısı

makineleri için gerçek ısıl verimin aynı koşullarda olabilecek en yüksek

(tersinir) ısıl verime oranıdır (Coşkun, 2011).

Bir sistemde ikinci yasa verimi, iş üreten makineler için makineden elde edilen

faydalı işin elde edilebilecek en fazla işe (tersinir) oranı olarak da

tanımlanabilir:

Aynı anda ikinci yasa verimi, iş tüketen makineler kompresörler ve soğutma

makineleri gibi için de tanımlanabilir. İkinci yasa verimi gerekli en az işin

(tersinir), yapılan yararlı işe oranıdır:

40

Bir kombine santralinde kullanılan kompresör, türbin, ısı değiştirici, karışım

odası, pompa ve yoğuşturucu gibi üniteler için birinci ve ikinci yasa verimleri,

Çizelge 3.1'de sunulmuştur.

Çizelge 3.1. Kombine çevrimde kullanan ünitelerin ikici yasa verimi

Üniteler Birinci ve ikinci yasa verimi

T0, P0

Sıcak akış

Soğuk akış

1 2

4 3

sıcakm

soğukm

Adyabatik

Isı değiştirici

41

Sıcak akış

Soğuk akış

Karışım odası

1m

2m3m

Adyabatik T0, P0

Pompa

Yoğuşturucu

42

43

4. ALİAĞA GAZ TÜRBİNLERİ VE KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ VE

4. EKSERJİ ANALİZİ

Bu bölümde, Türkiye'de bulunan Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim

Santralinin ünitelerin enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Kompresör, yanma

odası, gaz türbinleri, degazör, yüksek basınç buhar domu, buhar türbinleri,

yoğuşturucu ve pompalar ayrı ayrı olarak incelenip, analizler yapılmıştır.

Analizlerde ünitelerin ürettikleri ve tükettikleri güçler, ısı geçişleri, I. yasa ve II.

yasa verimleri, ekserji kayıpları ayrı ayrı hesaplanmıştır. Ayrıca çevrimin enerji

ve ekserji analizleri için önceki bölümde belirtilen formüller yardımıyla

termodinamik özellik fonksiyonlarını içeren bir bilgisayar programı

(Engineering Equation Solver) kullanılmıştır (Klein, 2008).

Santraldeki ünitelerin giriş ve çıkışındaki akışkanların basınç, sıcaklık ve

kütlesel debi değerleri aracılığıyla herbir noktanın entalpi, entropi ve ekserjisi

hesaplanarak Çizelge 4.1'de sunulmuştur.

Çizelge 4.1. Kombine çevrimin noktalardaki özellikleri ve ekserji miktarları.

NO. Akışkan Faz Sıcaklık [K]

Basınç [kPa]

Entalpi [kJ/kg]

Entropi [kJ/kgK]

Debi [kg/s]

Ekserji [kW]

0 Hava Ölü Hal 293.15 100 293.4 6.85 - -

0' Su Ölü Hal 293.15 100 84 0.30 - -

0" Baca gazı Ölü Hal 288.15 100 -2542 7.148 - -

1 Hava - 293.15 100 293.4 6.85 170 0

2 Hava - 652.15 990 662.7 7.01 170 54788

3 Baca gazı Gaz 1184.15 990 -1459 8.134 172.5 138008

4 Baca gazı Gaz 763.15 100 -1996 8.259 172.5 39076

5 Baca gazı Gaz 413.15 100 -2405 7.546 172.5 4046

6 Hava - 293.15 100 293.4 6.85 170 0

7 Hava - 652.15 990 662.7 7.01 170 54788

8 Baca gazı Gaz 1184.15 990 -1459 8.134 172.5 138008

9 Baca gazı Gaz 763.15 100 -1996 8.259 172.5 39076

44

10 Baca gazı Gaz 413.15 100 -2405 7.546 172.5 4046

11 Su K. Buhar 718.15 2900 3335 7.09 33.2 41842

12 Su K. Buhar 533.15 400 2985 7.42 33.2 26990

13 Su K. Buhar 533.15 400 2985 7.42 16.6 13495

14 Su K. Buhar 383.15 20 2705 8.18 16.6 5166

15 Su K. Buhar 533.15 400 2985 7.42 16.6 13495

16 Su K. Buhar 383.15 20 2705 8.18 16.6 5166

17 Su K. Buhar 383.15 20 2705 8.18 33.2 10332

18 Su Sıvı 293.15 100 84 0.30 2130 0

19 Su Sıvı 293.15 300 84.2 0.30 2130 419

20 Su D. Sıvı 303.15 100 125.8 0.44 2130 1478

21 Su D. Sıvı 383.15 20 251.4 0.83 33.2 345.9

22 Su Sıvı 383.15 240 251.8 0.83 33.2 353.9

23 Su Sıvı 383.15 240 251.8 0.83 16.6 176.9

24 Su D. Sıvı 394.90 210 511.3 1.55 16.6 1007.7

25 Su Sıvı 396.15 4000 519.2 1.56 16.6 1092

26 Su D. Sıvı 393.15 210 511.3 1.55 3.3 197.4

27 Su Sıvı 393.15 270 511.5 1.55 3.3 198

28 Su K. Buhar 410.15 270 2736 7.07 3.3 2170.4

29 Su Sıvı 423.15 4000 634.4 1.84 16.6 1635

30 Su D. Sıvı 708.15 3000 1008 2.65 16.6 3912

31 Su D. Buhar 708.15 3300 1009 2.65 16.6 3921

32 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981

33 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981

34 Su K. Buhar 733.15 3000 3367 7.12 16.6 21315

35 Su Sıvı 383.15 240 251.8 0.83 16.6 176.9

36 Su D. Sıvı 394.90 210 511.3 1.55 16.6 1007.7

37 Su Sıvı 396.15 4000 519.2 1.56 16.6 1092

38 Su D. Sıvı 393.15 210 511.3 1.55 3.3 197.4

39 Su Sıvı 393.15 270 511.5 1.55 3.3 198

40 Su K. Buhar 410.15 270 2736 7.07 3.3 2170.4

41 Su Sıvı 423.15 4000 634.4 1.84 16.6 1635

Çizelge 4.1. (devam)

45

42 Su D. Sıvı 708.15 3000 1008 2.65 16.6 3912

43 Su D. Buhar 708.15 3300 1009 2.65 16.6 3921

44 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981

45 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981

46 Su K. Buhar 733.15 3000 3367 7.12 16.6 21315

4.1. Kompresörün Enerji ve Ekserji Analizi

Kompresörün şematik görünümü Şekil 4.1'de gösterilmiş olup, sürekli akışlı bir

kompresöre giren hava miktarı çıkan hava miktarına eşittir.

Şekil 4.1. Kompresörün şematik gösterimi

∑ ∑

Giren ve ıkan havanın k tlesel debisi

= = 170 kg/s

şeklindedir Ko presörde t ketilen

= 62774 kW

Kompresör

2

1

Çizelge 4.1. (devam)

46

olarak hesaplanır Ko presör n adyabatik veri i

şeklinde bulunur. Kompresör için tersinir güç;

k

olarak bulunur Ko presör n ekserji kaybı veya tersin e li i

k

kW/K

şeklinde hesaplanır Ko presör n II yasa veri i ise

olarak belirlenir.

47

4.2. Yanma Odasının Enerji ve Ekserji Analizi

Yanma odası için gerekli olan oksijenin kaynağı havadır. Hava; oksijen azot, su

buharı ve diğer gazlardan oluşmaktadır. Hava içerisinde hacimsel olarak % 79

azot ve % 21 oksijen bulunmaktadır.

Bu çalışmada yapılan yanma analizlerinde reaksiyona giren ürünler arasında su

buharı alınmamıştır. Çünkü, su buharının hava içerisindeki hacimsel olarak

yüzdesi oldukça düşüktür. Yapılan yanma analizinde yakıtın tamamen yandığı

ve yakıtta bulunan tüm karbonun CO2'e, hidrojenin ise H2O'ya dönüştüğü kabul

edilmiştir. Bu nedenle; yanma ürünlerinde serbest O2 bulunmamaktadır. Yanma

ürünleri ideal gaz olarak kabul edilmiştir. Yanma odasına giren doğal gaz

yakıtının % 93'ü CH4 ve % 7'sinin C2H6 olduğu santralden bilgi olarak alınmıştır.

Doğal gazın sıcaklığı (Ty) : 288.15 K

Doğal gazın basıncı (Py) : 1600 kPa

değerlerinde olduğu temin edilmiştir santralden.

Karbon ve hidrojenin mol kütleleri ise,

kg/kmol

k /k ol

olarak bilinmektedir. Hava fazlalık katsayısını 1.2 kabul ederek; kullanılan doğal

gazın yanma denklemi,

x1 CH4 + x2 C2H6 +1.2 a th (O2 + 3.76 N2) x CO2 + y H2O + z N2 + w O2

olarak elde edilmektedir. Bu yanma reaksiyonu ile ilgili yakıtlara giren ve çıkan

ürünlerin bileşenlerine ait katsayılar ise aşağıdaki Çizelgede 4.2'de

gösterilmektedir.

48

Çizelge 4.2. Yakıtların giren ve çıkan bileşenlerine ait katsayılar

Doğal gaz, hava ve yanma ürünlerin tipi

Semboller Katsayılar Mol kütleleri kg/kmol

CH4 x1 0.93

C2H6 x2 0.07

O2

1.2a th 2.526 31.999

w 0.421

N2 z 9.498

CO2 x 1.07

H2O y 2.07

Yakıtın, yakma havasının ve baca gazlarının mol kütleleri sırasıyla;

(

)

k /k ol

(

)

k /k ol

(

)

y

k /k ol

olarak hesaplanmıştır. Baca gazların karışım mol oranları ise,

49

şeklinde elde edilmiştir. Yanma gazının (yakıtın), havadaki oksijen, azotun

karışım mol oranları;

olarak bulunmuştur. Reaksiyona girdileri ve ürünlerin ölü hal entalpi ve

entropileri, EES paket programı aracılığıyla;

50

k /k ol

k /k ol

k /k ol

k /k ol

k /k ol

k /k ol

k /k olK

k /k olK

k /k olK

k /k olK

k /k olK

k /k olK

olarak belirlenmiştir. Baca gazının ve yakıtın ölü hal entalpileri ise,

k /k ol

k k ⁄

olarak hesaplan ıştır Baca a larının ve yakıtın öl hal entropileri Çi el e

4.2'de bulunan katsayıların yardımıyla;

51

(

)

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

k /k olK

k /k K

/

k /k olK

/

k /k olK

kabul edilerek,

ln

/

k /k olK

52

kabul edilerek,

ln /

k /k olK

k /k olK

k k K⁄

şeklinde hesaplanmıştır. Yanma odasının şematik görünümü Şekil 4.2'de

gösterilmiş olup, kütle korunumuna göre yanma odasına giren hava ve yakıtın

toplam debisi çıkan baca gazının debisine eşittir.

Y

Şekil 4.2. Yanma odasının şematik gösterimi

172.6 kg/s

Termodinamiğin birinci yasasına göre enerjinin korunumu,

∑ ∑

şeklinde ifade edilir. Yanma odasının adyabatik olmasından dolayı, yanma

işle inde elde edilen ısı

3 2 Yanma Odası

53

Ç ∑ ∑

şeklinde elde edilir Yan a reaksiyonuna iren ve elde edilen r nlerin oluşu

entalpileri Çizelge 4.3'te sunulmuştur. Ayrıca, Çizelge 4.3'te kompresörden

çıkan oksijen ve azotun entalpisi girdilerin ve ürünlerin yakıt sıcaklığındaki

entalpileri, yanma sonu gazlarının entalpileri EES paket programı aracılığıyla

belirlenmiştir.

Çizelge 4.3. Yanma reaksiyonunda girdilerin ve ürünlerin oluşum entalpileri ve Çizelge 4.3. değer entalpiler

Madde

kJ/kmol

kJ/kmol

kJ/kmol

kJ/kmol

CH4 -74850 - -74952 -

C2H6 -84680 - -84370 -

O2 0 10966 -292 29171

N2 0 10484 -290.7 27557

CO2 -393520

- -393854 -349926

H2O -241820 - -242148 -207966

Yanma işleminden çıkan ısı,

Ç [(

) (

)

(

)] [ (

) ( )

( ) (

)]

Ç= 582209 kJ/kmol

54

olarak hesaplanmıştır. Yakıtın birim zamandaki mol sayısı,

= 0.1527 kmol/s

olarak elde edilmiştir. Yanmadan çıkan ısı (kW) olarak,

= 88914 kW

elde edilmiştir. Yanmaya giren ve çıkan ürünlerin entropileri,

(

)

ile hesaplanmıştır. (4.24) no'lu denklem yardımıyla girdilerin ve çıktıların

entropileri Çizelge 4.4'te sunulmuştur.

199.1 kJ/kmolK

226.7 kJ/kmolK

Yanma odasında entropi üretimi,

= 519.2 kJ/kmolK

55

= 79.29 kW/K

olarak hesaplanmıştır.

Çizelge 4.4. Reaksiyona giren ve çıkanların entropi değerleri

Madde yi

kJ/kmolK

(

)

kJ/kmolK

CH4 0.93 185.1 22.45 162.7

C2H6 0.07 227.4 0.9422 226.5

O2 0.21 229.2 6.085 223.1

N2 0.79 214.7 16.41 198.3

CO2 0.0819 278.6 -1.744 280.4

H2O 0.1585 239.9 3.746 236.2

N2 0.727 233.8 16.41 217.3

O2 0.032 249.5 -9.557 259.1

Yanma odasında meydana gelen ekserji kaybı ise,

22849 kW

şeklinde bulunmuştur. Yanma odasına giren ve çıkan gazlarının kimyasal

ekserjisi için standart kimyasal ekserjiler Çizelge 4.5'te sunulmakta;

Çizelge 4.5'te bulunan değerler ve (4.27) no'lu denklemin yardımıyla, yakma

havanın ve yanma sonu gazlarının (Baca gazlarının) kimyasal ekserjileri,

56

Çizelge 4.5. Bazı gazların molar standart kimyasal ekserjileri (Szargut, 1988).

Madde Simge (kJ/kmol)

Oksijen O2(g) 3970

Azot N2(g) 720

Su H2O(g) 9500

H2O(Sıvı) 900

Karbon Dioksit CO2(g) 19870

Metan CH4(g) 831650

Etan C2H6(g) 1495840

∑ ∑

Aşağıdaki denklemlerde bulunan değerleri Çizelge 4.4'te sunulmuştur.

k /k ol

k /k ol

k /k ol

k /k

k

57

[ ( ln

) ( ln

) ( ln

)

( ln

) ]

k /k ol

k /k

k

olarak bulunmuştur. Yakıtın ekserjisi,

kcal/

k

değerinde hesaplanmıştır. Yanma odasının II. yasa verimi ise,

elde edilmiştir.

4.3. Gaz Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi

Gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının termodinamik özellikleri

Çizelge 4.6'te sunulmuştur. Gaz türbinin şematik görünümü ise Şekil 4.3'te

58

gösterilmiş olup, gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının kütlesel

debileri eşittir:

Şekil 4.3. Gaz türbinin şematik gösterimi

Çizelge 4.6'nın yardımıyla gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının

entalpisini hesaplanmıştır.

=

+

(4.32)

-40660 kJ/kmol

k /k

=

k /k ol

k k ⁄

olarak hesaplanmıştır.

3

4

G.T.

59

Çizelge 4.6. Gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının termodinamik ……….. özellikleri………………………………………………………………………………..

Sıcaklık Basınç Madde

Entalpi ve

entropi

T (K) Po (kPa) CO2 N2 H2O O2

(kJ/kmol) 288.15 100 -393854 -290.7 -242148 -292

(kJ/kmolK) 212.5 190.6 187.7 204.1

(kJ/kmol) 1184.15

100 -349935 27552 -207973 29166

(kJ/kmolK) 278.6 233.8 239.9 249.5

(kJ /kmol) 763.15 100 -372536 13908 -225246 14628

(kJ/kmolK) 255.1 219.6 222 234.4

Ayrıca, yanma sonu gazlarının entropileri ise,

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

60

k /k olK

k /k K

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

k /k olK

k k K⁄

değerlerinde bulunmuştur. Gaz türbininin üreteceği güç,

= 92731 kW

olarak bulunmuştur. Gaz türbininin tersinir gücü ise,

61

[ ]

k

olarak hesaplanmıştır. Gaz türbininin toplam entropi üretimi,

k K⁄

olarak hesaplanmıştır. Gaz türbininin ekserji kaybı ve II. yasa verimi sırasıyla;

k

değerlerinde hesaplanmıştır.

4.4. Isı Kazanının Enerji ve Ekserji Analizi

Santralde bulunan ısı kazanının görünümü Şekil 4.4'te gösterilmiş olup, ısı

kazanına giren ve çıkan yanma sonu gazlarının kütlesel debileri eşittir.

Isı kazanına giren yanma sonu gazlarının entalpisi ve entropisi gaz türbini

analizinde hesaplanmıştır.

Isı kazanından çevreye atılan yanma sonu gazları 413.2 K sıcaklık ve 100 kPa

basıncında olup, baca gazın bileşenlerinin EES program ile bulunan entalpi

değerleri:

62

Şekil 4.4. Isı kazanının şematik gösterimi

k /k ol

k /k ol

k /k ol

h k /k ol

olarak belirlenmiştir. Baca gazın aynı noktadaki entalpisi,

k k ol⁄

k k ⁄

şeklinde bulunmuştur. Baca gazı birleşenlerinin aynı basınç ve sıcaklıktaki

entropileri,

33

31

32

29

25

27

28

34

4

5

63

k /k olK

k /k olK

k /k olK

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

/

k /k olK

/

( )

k k olK⁄

değerlerindedir. Baca gazının aynı noktadaki entropisi

k /k olK

k k K⁄

değerinde bulunmuştur. Isı kazanında yanma sonu gazlarından çıkan ısı miktarı,

[ ] [

(4.37)

k

64

olarak hesaplan ıştır Isı ka anında topla retilen entropi ise

[ ] [

] /

k K⁄

de erindedir Ekserji kaybı ise

k

de erinde bulun uştur Isı ka anının ikinci yasa veri i ise

olarak elde edil iştir

4.5. Yüksek Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi

Yüksek basınç buhar türbinin şematik görünümü Şekil 4.5'te gösterilmiş olup,

türbine giren ve çıkan su buharının termodinamik özellikleri Çizelge 4.1'de

sunulmuştur.

k s⁄ (4.41)

65

Şekil 4.5. Yüksek basınç buhar türbinin şematik gösterimi

Y ksek basın buhar t rbinine ter odina i in birinci yasası uy ulandı ında

(4.42)

k

değerinde bulunmuştur. Yüksek basınç buhar türbininin adyabatik verimi ise,

4

olarak bulun uştur Y ksek basınç buhar tu rbininden elde edilecek tersinir gu ç

ve meydana gelen ekserji kaybı,

[ ]

k

k /K

11

12

Y.B.T.1.

66

k

değerlerinde bulunmuştur. Yüksek basınç buhar türbininin ІІ. yasa verimi,

= 0.7823

olarak hesaplan ıştır

4.6. Alçak Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi

Alçak basınç buhar türbininin şematik görünümü Şekil 4.6'da sunulmuş olup,

giren ve çıkan su buharının termodinamik özellikleri hesaplanmıştır.

Şekil 4.6. Alçak basınç buhar türbinin şematik gösterimi

k s⁄ (4.48)

Alçak basınç buhar türbininden elde edilen güç,

(4.49)

k

13

14

A.B.T.1

67

de erinde hesaplan ıştır Al ak basın buhar t rbininin adyabatik veri i

olarak bulun uştur Al ak basın buhar t rbininin tersinir c ve eydana

elen ekserji kaybı

k

k

şeklinde belirlenmiştir. Alçak basınç buhar türbinin ІІ. yasa verimi ve üretilen

entropi;

k K⁄

olarak bulunmuştur.

68

4.7. Yoğuşturucunun Enerji ve Ekserji Analizi

Şekil 4.7'de gösterilen yoğuşturucuya giren ve çıkan akışkanların termodinamik

özellikleri Çizelge 4.1'de sunulmuştur.

Şekil 4.7. Yoğuşturucunun şematik görünüşü

Deniz suyu için giren ve çıkan kütlesel debileri,

k /s

şeklindedir. Su buharı için giren ve çıkan kütlesel debiler,

k /s

olarak te in edil iştir Yo uşturucu nitesinde suya transfer edilen ısı

k

değerindedir. yoğuşturucuda meydana gelen toplam entropi üretimi ve ekserji

kaybı,

21 17

19

20

69

k /K

k

olarak elde edilmiştir. yoğuşturucunun ikinci yasa verimi ise,

değerinde elde edilmiştir.

4.8. Yoğuşturucu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi

Yoğuşturucu pompasına giren ve çıkan akışkanların kütlesel debileri Şekil

4.8'de görüldüğü gibi eşittir.

Şekil 4.8. Yoğuşturucu pompasının şematik gösterimi

Yoğuşturucu pompasına enerjinin korunumu ilkesi uygulanırsa,

= 13.28 kW

21

22

70

olarak belirlen iştir Po panın І yasa veri i ise

de erindedir Po panın t ketece i tersinir ve retilen topla entropi

= 9.387 kW

0.01328 kW/K

olarak hesaplan ıştır Po pada eydana elen ekserji kaybı

k

Pompanın ІІ. yasa verimi,

şeklinde elde edilmiştir.

4.9. Deniz Suyu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi

Şekil 4.9'da gösterilen deniz suyu pompasına giren ve çıkan suyun debileri

eşittir.

71

k /s

Şekil 4.9. Deniz suyu pompasının şematik görünüşü

Pompanın tükettiği güç,

= 569.3 kW

olarak bulunmuştur. Pompanın І. yasa verimi ile tersinir gücü,

= 419.3 kW

şeklinde belirlen iştir. Pompada meydana gelen ekserji kaybı ve toplam

entropi üretimi,

= 0.512 kW/K

18

19

72

k

deg erinde bulunmuştur. I kinci yasa verimi pompada aşag ıdaki ifadeler

yardımıyla hesaplanmaktadır.

şeklindedir.

4.10. Degazörün Enerji ve Ekserji Analizi

Şekil 4.10'da degazör-1'in şematik görünümü sunulmuş olup,

Şekil De a ör n şe atik österi i

şeklindedir. Degazörden çevreye olan ısı kaybı,

ö

ö k

de erindedir De a örde topla retilen entropi ve kaybolan ekserji

Degazör-1

23

26 24

28

73

k /K

k

olarak hesaplan ıştır De a ör n ІІ yasa veri i;

şeklinde bulun uştur

4.11. Degazörün Birinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi

Degazörün birinci pompasına giren ve çıkan akışkanların kütlesel debileri Şekil

4.11'de görülüğü gibi eşittir.

Şekil 4.11. Degazörün birinci pompasının şematik gösterimi

k /s

24

25

74

Degazörün birinci pompasında tüketildiği güç,

=131.14 kW

olarak bulun uştur Po panın birinci yasa veri i ile tersinir c

ö

ö

= 82.477 kW

şeklinde hesaplanmıştır. Pompada meydana gelen ekserji kaybı ve toplam

entropi üretimi,

= 0.16 kW/K

48.66 kW

değerinde bulunmuştur. Pompanın ikinci yasa verimi ise,

ö

ö

olarak elde edilmiştir.

75

4.12. Degazörün İkinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi

Degazörün ikinci pompasına giren ve çıkan akışkanların kütlesel debileri Şekil

4.12'de görüldüğü gibi eşittir.

Şekil 4.12. Degazörün ikinci pompasının şematik gösterimi

k /s

Degazörün ikinci pompasında tüketilen güç,

= 0.65 kW

olarak bulunmuştur. Pompanın birinci yasa verimi ile tersinir gücü,

ö

ö

= 0.459 kW

26

27

76

şeklinde bulun uştur Po pada eydana elen topla entropi reti i ve

ekserji kaybı,

k /K

k

değerinde hesaplanmıştır. Pompanın ikinci yasa verimi ise,

ö

ö

olarak hesaplanmıştır.

4.13. Yüksek Basınç Buhar Domunun Enerji ve Ekserji Analizi

Yüksek basınç buhar domunun şematik görünümü Şekil 4.13'te gösterilmiş

olup, giren ve çıkan akışkanların debileri eşittir.

Şekil 4.13. Yüksek basınç buhar domunun şematik gösterimi

Yüksek basınç

Buhar Domu 1

29 33 32

30

77

k /s

Ka andan adyabatik y ksek basın buhar do una iren ısı

k

de erinde hesaplan ıştır Adyabatik y ksek basın buhar do unda topla

retilen entropi ve ekserji kaybı

k /K

k

olarak elde edil iştir Y ksek basın buhar do unun ikinci yasa veri i

de erinde bulun uştur

4.14. Yüksek Basınç Buhar Domu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi

Yüksek basınç buhar domunun pompasının şematik görünümü Şekil 4.14'te

sunulmuştur.

k /s

78

Yüksek basınç buhar domu pompasının tüketeceği güç,

= 16.6 kW

olarak bulunmuştur.

Şekil 4.14. Yüksek basınç buhar domu pompasının şematik gösterimi

Pompanın birinci yasa verimi ile tersinir gücü

= 11.734 kW

şeklinde belirlenmiştir. Pompada meydana gelen ekserji kaybı ve toplam

entropi üretimi,

0.0166 kW/K

30

31

79

= 4.866 kW

değerinde bulunmuştur. Pompanın ikinci yasa verimi ise,

şeklindedir.

4.15. Santralin І. ve ІІ. Yasa Verimi

Santralde kullanılan yakıt 12000 Sm3/h şeklindedir. Kullanılan yakıt doğal gaz

olduğu için yakıtın mol kütlesi,

k /k ol

olarak hesaplan ıştır Yakıtın k tlesel debisi erekli dön ş lerle (kg/s)

birimiyle,

kg/s

şeklinde belirlen iştir Santralin topla nitelerinde retilen net ise

MW

Doğalgaz yakıtının alt ısıl değeri 8500 kcal/Nm3 değerindedir. Gerekli

dönüşümlerle alt ısıl değeri,

��𝑛𝑒𝑡 ��𝐺 𝑇 ��𝑌 𝐵 𝑇 ��𝐴 𝐵 𝑇 – ��𝐾 ��𝑦𝑜 𝑝𝑜𝑚𝑝 ��𝑑𝑒𝑛𝑖𝑧 𝑠𝑢𝑦𝑢 𝑝𝑜𝑚𝑝

��𝑑𝑒𝑔𝑎𝑧ö𝑟 𝑝𝑜𝑚𝑝 ��𝑑𝑒𝑔𝑎𝑧ö𝑟 𝑝𝑜𝑚𝑝 ��𝑌 𝐵 𝐷 𝑝

80

Hu = 11213.2 kcal/kg

olarak hesaplan ıştır Santralin tersinir veri i

TL = .15 K

TH K

𝐿

0.757

olarak belirlen iştir Santralin ikinci yasa veri i ise

olarak hesaplanmıştır.

81

5. ARAŞTIRMA BULGULARI

Bu çalışmada, Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santraline

termodinamiğin І. ve ІІ. yasası aracılığıyla, santrale enerji ve ekserji analizi

uygulanmıştır. Bu analizler için tez çalışması esnasında Aliağa Gaz Türbinleri ve

Kombine Çevrim Santrali ziyaret edilmiş olup, ünitelerin giriş ve çıkışlarına ait

basınç, sıcaklık ve kütlesel debi değerleri santralden temin edilmiştir. Santralin

üniteleri üzerinde 46 adet düğüm noktasının termodinamik özellikleri EES

(Engineering Equation Solver) paket programı aracılığıyla bulunmuştur.

Santralin yanma odasından gerçekleşen yanma işleminin reaksiyonu kurulmuş

olup, gaz türbinlerinin girişinde ve çıkışında yanma sonu gazlarının entalpileri

ve entropileri hesaplanmıştır. Bu değerler aracılığıyla gaz türbinlerinin ürettiği

güçler belirlenmiştir. Çalışmada; ünitelerin ІІ. yasa verimleri ve meydana gelen

ekserji kayıpları hesaplanmış, elde edilen değerlere göre yapılabilecek

iyileştirmeleri sunulmuştur.

Bu çalışmada uygulanan enerji ve ekserji analizlerinde çevrenin havanın ölü hal

basıncı 100 kPa ve referans sıcaklığı ise 20 °C (293.15 K) olarak kabul

edilmiştir. Doğalgazın ölü hal basıncı ve sıcaklığı sırasıyla 100 kPa ve 15 °C

(288.15 K) olarak belirlenmiştir.

Kompresöre giren hava öncelikle filtrelere girmektedir. Filtreler aracılığıyla

alınan hava 293.15 K sıcaklıkta ve 100 kPa basınçtadır. Kompresörde 990 kPa

basınca kadar sıkıştırılmaktadır. Sıkıştırma sonu sıcaklık 652.15 K olarak elde

edilmektedir. Kompresörde harcanan birim zamandaki iş miktarı 62774 kW

olarak hesaplanmıştır. Kompresörün birinci ve ikinci yasa verimleri sırasıyla %

73.74 ve % 87.28 olarak bulunmuştur. Kompresördeki tersinir güç 54788 kW ve

ekserji kaybı ise 7986 kW olarak hesaplanmıştır.

Yanma odasına giren yakıt doğalgaz olup, mol oranı olarak metan ve etan

yüksek olduğu için sadece yakıtın metan ve etandan oluştuğu kabul edilmiştir.

Metan ve etanın mol oranları sırasıyla % 93 ve % 7 olduğu belirlenmiştir.

Doğalgaz yanma odasına 288.15 K sıcaklıkta ve 1600 kPa basınçta girmekte,

82

hesaplarda da bu değerler kullanılmıştır. Yanma sonunda yanma odasından

çıkan gazlar, 1184.15 K sıcaklık ve 990 kPa basınçta gaz türbinine girmekte, 100

kPa basınca kadar genişleyerek gaz türbinde 92731 kW olarak güç elde edildiği

hesaplanmıştır. İkinci yasa analizine göre, gaz türbinindeki tersinir güç 98932

kW, ekserji kaybı 6201 kW, ikinci yasa verimi ise % 83.14 olarak bulunmuştur.

Gaz türbininde genişleyen atık gazlar atık ısı kazanına 763.15 K sıcaklık ve 100

kPa basınçta girmekte ve 413.15 K sıcaklıkta çevreye atılmaktadır.

Termodinamiğin ІІ. yasasına göre ekserji kaybı 15120 kW olarak

hesaplanmıştır. Isı kazanında baca gazlarının sıcaklığından faydalanılarak

degazör ve yüksek basınç buhar domu suyunun ısıtılmasını sağlanmaktadır.

Yoğuşturucudan gelen su, degazöre 383.15 K sıcaklık ve 240 kPa basınçta

girmektedir. Degazörün ilk çıkışındaki su 393.15 K sıcaklık ve 210 kPa basınçta

degazörün ikinci pompasına girmektedir. Pompadan çıkan su 393.15 K sıcaklık

ve 270 kPa basınçta ısı kazanına verilmektedir. Isı kazanına giren su ısıtılmakta

ve degazöre 410 K sıcaklık ve 270 kPa basınçta tekrar girmektedir. Bu

pompanın bu aralıktaki güç miktarı 0.65 kW olarak hesaplanmıştır. Pompanın

birinci ve ikinci yasa verimleri sırasıyla % 37.10 ve % 70.62 olarak

hesaplanmıştır. Pompadaki tersinir güç ise 0.459 kW, ekserji kaybı 0.191 kW

değerinde hesaplanmıştır.

Degazörün diğer çıkışındaki su 394.9 K sıcaklık ve 210 kPa basınçta degazörün

birinci pompasına girmektedir. Pompa aracılığıyla basıncı artan su 396.15 K

sıcaklık ve 4000 kPa basınçta ısı kazanına verilmektedir. Isı kazanına verilen su,

aldığı ısıyla 423.15 K sıcaklık ve 4000 kPa basınçta yüksek basınç buhar

domuna gönderilmektedir. Burada kullanılan degazörün birinci pompasının

gücü 131.14 kW olarak hesaplanmıştır. Pompanın birinci ve ikinci yasa verimler

sırasıyla % 50.63 ve % 63.59 olarak bulunmuştur. Pompadaki tersinir güç

82.477 kW, ekserji kaybı ise 48.66 kW değerinde hesaplanmıştır.

Yüksek basınç buhar domundan gelen su, 708.15 K sıcaklık ve 3000 kPa

basınçta yüksek basınç buhar pompasına girmektedir. Pompada 708.15 K

83

sıcaklık ve 3300 kPa basınca kadar basıncı yükselmektedir. Daha sonra su, ısı

kazanına girmekte ve ısı kazanında ısıtılarak tekrar yüksek basınç buhar

domuna gönderilmektedir. Bu prosesi gerçekleştirmek için pompada tüketilen

güç miktarı 16.6 kW olarak hesaplanmıştır. Pompanın birinci ve ikinci yasa

verimleri sırasıyla % 69.28 ve % 70.69 olarak bulunmuştur. Pompadaki tersinir

güç 11.734 kW ve ekserji kaybı ise 4.866 kW olarak hesaplanmıştır. Yüksek

basınç buhar domunun diğer çıkışından çıkan buhar 718.15 K sıcaklık ve 3000

kPa basınçta aynı ısı kazanına girmektedir. Isı kazanından çıkan kızgın buhar

733.15 K sıcaklık, 3000 kPa basınçta yüksek basınç buhar türbinine

gönderilmektedir.

Yüksek basınç buhar türbinine giren buhar, 533.15 K sıcaklık ve 400 kPa

basınca kadar genişlenmektedir. Bu genişleme esnasında türbinden elde edilen

güç ise 11620 kW olarak hesaplanmıştır. İkinci yasa analizine göre, yüksek

basınç buhar türbinindeki tersinir güç 14851.8 kW, ekserji kaybı 3231.8 kW

olarak bulunmuştur. І. ve ІІ. yasa verimleri sırasıyla % 68.14 ve % 78.23 olarak

bulunmuştur. Genişleyen buharın sıcaklığı ve basıncı yüksek olduğu için alçak

basınç buhar türbinine gönderilmekte ve tekrar bu buharın enerjisinden

faydalanılarak güç üretilmektedir.

Alçak basınç buhar türbinine giren buhar, 383.15 K sıcaklık ve 20 kPa basınca

kadar genişlemektedir. Genişleyen buhar yoğuşturucuya gönderilmekte ve

üretilen güç ise 4648 kW olarak bulunmuştur. İkinci yasa analizine göre, alçak

basınç buhar türbinindeki tersinir güç 8337.27 kW, ekserji kaybı 3689 kW

olarak hesaplanmıştır. І. ve ІІ. yasa verimleri sırasıyla % 51.95 ve % 55.75

olarak bulunmuştur. Yoğuşturucuden çıkan su ise degazöre gönderilmekte ve

böylece kombine çevrim tamamlanmaktadır.

Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santralinin üniteleri için hesaplanan

birinci yasa verimleri Çizelge 5.1'de sunulmuştur. En yüksek birinci yasa

veriminin % 73.74 ile kompresörde, en düşük verimi ise degazörün ikinci

pompasında % 37.10 olduğu görülmektedir. Birinci yasa verimlerine genel

olarak bakıldığında kompresör dışındaki diğer ünitelerde oldukça düşük olduğu

84

görülmektedir. Bunun sonucunda buhar türbinlerinin düşük güç ürettiği,

pompaların ise yüksek güç tüketiminin olduğu belirlenmiştir. Bu durum

santralin ürettiği net gücü düşürmektedir. Bu sebeple bu ünitelerde

iyileştirmelerin öncelikle yapılması gerektiği görülmektedir.

Çizelge 5.1 Santraldeki bazı ünitelerin birinci yasa verimleri (%)

Üniteler Birinci yasa verimi (%)

Kompresör 73. 74

Yüksek buhar türbini 68.14

Alçak basınç buhar türbini-1 51.95

Degazörün birinci pompası 50.63

Deniz suyu pompası 73.08

Alçak basınç buhar türbini-2 51.95

Yoğuşturucu pompası 61.36

Degazörün ikinci pompası 37.10

Yüksek basınç buhar domu pompası 69.28

Santralin ünitelerinin ІІ. yasa verimleri ayrı ayrı olarak hesaplanmış olup, Şekil

5.1'de sunulmuştur. Şekil 5.1'e göre ikinci yasa verimi en yüksek olan ünite %

87.29 değer ile kompresör olup ve en düşük ünitenin % 20 değeri ile

yoğuşturucu olduğu görülmektedir. Kompresörün ІІ. yasa veriminin yüksek

değerde olmasının sebebi, kompresörde üretilen entropinin ve kompresörün

tükettiği gücün az olmasından kaynaklanmaktadır.

Yanma odasının ІІ. yasa verimi yaklaşık % 84.6 civarında hesaplanmış olup,

düşük bir değer olmadığı görülmektedir. Yanma odasında meydana gelen

ekserji kaybı bazı ünitelere göre yüksektir. Ancak, yanma odasında meydana

gelen ekserji kaybı, yakıt ve havanın ekserjilerine göre daha az olduğu için ІІ.

yasa verimi makul bir değerde elde edilmiştir.

85

Şekil 5.1. Ünitelerin ikinci yasa verimi

Gaz türbininin ikinci yasa verimi % 83.14 iken, yüksek basınç buhar türbini ve

alçak basınç buhar türbininin ІІ. yasa verimleri sırasıyla % 78.23 ve % 55.75

olarak hesaplanmıştır. Yüksek basınç buhar türbininden alçak basınç buhar

türbinine doğru ІІ. yasa veriminde azalma meydana gelmektedir. Bu durum;

yüksek buhar türbininde enerjiden daha fazla faydalanıldığını göstermektedir.

Isı kazanının ІІ. yasa verimi % 56.84 olarak hesaplanmış olup, kazanın veriminin

düşük olduğu görülmektedir. Bunun sebebi, soğuk akışkanların

kullanılabilirliğindeki artışın az olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda,

ısı kazanının içerisinde su buharı borularının yeterince fazla olmaması da

görülmüştür. Bu da ısı transfer yüzey alanının yeterli olmadığını

göstermektedir.

Yoğuşturucunun ІІ. yasa verimi ise yaklaşık % 20.03 olarak bulunmuştur.

Yoğuşturucuda meydana gelen ekserji kaybı ile giren ekserjilerin toplamı

birbirine yakın olduğu için, ІІ. yasa verim değerinin oldukça düşük olduğu

görülmüştür.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

İkin

ci y

asa

ve

rim

i (%

)

86

Çizelge 5.2'de santralin ünitelerinin toplam üretim değerleri verilmiştir. Bu

değerler yardımıyla ünitelerin ekserji kayıpları hesaplanmıştır.

Çizelge 5.2. Ünitelerin entropi üretilen değerleri (kW/K)

Üniteler Entropi üretimi (kW/K)

Kompresör 27.24

Yanma odası 79.29

Gaz türbini 21.52

Isı kazanı 50.82

Yüksek basınç buhar türbini 11.02

Alçak basınç buhar türbini-1 12.58

Alçak basınç buhar türbini-2 12.58

Yoğuşturucu 29.5

Yoğuşturucu pompası 0.02

Deniz suyu pompası 0.51

Degazör 3.90

Degazörün birinci pompası 0.16

Degazörün ikinci pompası 0.00

Yüksek basınç buhar domu 13.40

Yüksek basınç buhar domu pompası 0.02

Şekil 5.2'de santralin ünitelerinin ekserji kayıpları sunulmuştur. Santralin

ünitelerinde en fazla ekserji kaybının sırasıyla yanma odası, ısı kazanı,

yoğuşturucu ünitelerinde olduğu, diğer ünitelerde ise ekserji kaybının düşük bir

şekilde meydana geldiği görülmüştür. Yanma odasındaki ekserji kaybının çok

yüksek olmasının sebebi, üretilen entropinin fazla olmasından

kaynaklanmaktadır. Isı kazanındaki boruların sayısının az olmasından dolayı

yeterli miktarda ısı geçişi yoğuştrucudand gelen suya verilememektedir. Ayrıca,

ısı kazanından çevreye kaybolan ısının yüksek olması sebebiyle ısı kazanında

yüksek oranda ekserji kaybı meydana gelmektedir. Yoğuşturucudan çıkan

akışkanın doymuş sıvı olma zorunluluğu sebebiyle, deniz suyuna verilen ısı

87

kayıp olarak görülmektedir. Bu sebeple yoğuşturucude ekserji kaybı yüksek

olarak meydana gelmiştir.

Şekil 5.2. Ünitelerin ekserji kayıpları

Şekil 5.3'te santralin ekserji akışı ve ünitelerin grup olarak kayıpları

gösterilmektedir. Santrale giren ekserji 427843 kW değerinde olup, yaklaşık %

63'ünün ünitelerde kayba uğradığı görülmektedir. En yüksek ekserji kaybının

gaz türbini çevriminin yanma odası ünitelerinde olduğu belirlenmiştir. Santralin

performansını arttırılması için öncelikle yanma odası ünitelerinde iyileştirilmesi

gereklidir. Yanma odalarındaki yapılacak iyileştirmelerin ısı kazanlarını da

olumlu yönde etkilemesi beklenmektedir.

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

17500

20000

22500

25000

Ek

serj

i k

ay

bı

(kW

)

88

Şekil 5.3. Santralin ekserji akış diyagramı

89

6. SONUÇ VE ÖNERİLER

Nüfus artışına paralel olarak enerji tüketiminin ve maliyetlerin artması

enerjinin etkin bir şekilde kullanılmasını zorunlu hala getirmektedir. Bu amaçla,

enerji santrallerinde termodinamik analiz yöntemlerinden olan enerji ve ekserji

analizleriyle sistemin verimlilik açısından değerlendirilmesi yapılmaktadır. Bu

değerlendirmelerin neticesinde güç santrallerinde iyileştirmelere gidilerek

enerji ve ekserji kayıpları azaltılabilir. Böylece, enerji maliyetleri düşünülerek

enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.

Bu çalışmada; doğal gaz ile çalışan Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim

Santralinin üniteleri için santralden gerekli datalar temin edilmiş olup, herbir

ünite için kütle, enerji ve ekserji analizleri uygulanmıştır. Literatürde Aliağa Gaz

Türbinleri ve Kombine Çevrim Santrali ile ilgili bir çalışma bulunmamaktadır.

Ayrıca, santraldeki yanma reaksiyonları gerçekleştirilerek; literatürde az

rastlanan yanma sonu gazlarının gerçek datalar ile enerji ve ekserji analizleri

yapılmıştır.

Yapılan analizler sonucunda, Santralin ürettiği net güç 159.901 MW olarak

hesaplanmıştır. Santralin kurulu gücü ise toplam 180 MW'tır. Santralden alınan

gerçek datalar ile hesaplanan net güç değerinin düşük olmasının sebepleri,

santralin eski olması ve diş hava şartlarının etkilemiş olması sayılabilir. Ayrıca

santralin I. ve II. yasa verimleri sırasıyla % 32.8 ve % 43.4 olarak

hesaplanmıştır. Bu verim değerler, literatürde yer alan kombine çevrim

santrallerinin verim değerlerine göre oldukça düşük olduğu görülmüştür.

Santralin eski teknolojiyle üretilmesi ve ünitelerin yaklaşık olarak 40 yıllık

olması yani yaşlanmalar sebebiyle enerji üretim maliyetlerini yükselttiği tespit

edilmiştir. Ünitelerde gerek değişim gerekse yapılacak iyileştirmelerin santralin

ısıl verimini % 40'ın üzerine çıkaracağı öngörülmektedir.

Elde edilen sonuçlar incelendiğinde; santral ünitelerinin en yüksek ikinci yasa

veriminin kompresörde, en düşük ikinci yasa veriminin ise yoğuşturucuda

olduğu belirlenmiştir.

90

Gaz türbini ve yüksek basınç buhar türbininin II. yasa verimleri alçak buhar

türbinininkine göre yüksek olduğu görülmüştür. Özellikle buhar çevrimi

kısmındaki alçak buhar türbininin II. yasa verimi oldukça düşüktür. Alçak basınç

buhar türbinine yapılması gereken iyileştirmelerin öncelikli olması

gerekmektedir. Diğer türbinlere yapılacak iyileştirmeler maliyetleri

etkileyebilir. Bu sebeple, II. yasa verimini arttırmaya çalışırken maliyetlerin de

göz önünde bulundurulması gerekmektedir.

Atık ısı kazanında ise II. yasa veriminin düşük olduğu görülmüş olup, mutlaka

iyileştirmelerin bu ünitede yapılması gerekmektedir. Atık ısı kazanın

borularının iç ve dış yüzeylerinde tabakaların oluşumu en aza indirgenmelidir.

Kazanın yüksekliği arttırılmalıdır. Böylece boru sayısının artışına paralel olarak

yanma sonu gazlarında suya daha iyi bir ısı transferi sağlanmış olacaktır. Söz

konusu iyileştirmeler, atık ısı kazanının II. yasa verimini arttırarak santralin

performansına da olumlu yönde hatki sağlayacaktır. Yoğuşturucude II. yasa

veriminin çok düşük olduğu görülmektedir. Deniz suyuna verilen ısı kayıp

olarak görülmekte olup, pompaya gelen akışkanın sıvı olması zorunluluğu

bulunmaktadır. Yanma odası, atık ısı kazanı ve yoğuşturucu ünitelerinde

sırasıyla ekserji kayıplarının en yüksek olduğu görülmüştür. Yanma odasına

giren havanın fazla ya da düşük olması meydana gelen ekserji kaybını

arttırmaktadır. Havanın fazla olması durumunda yanma reaksiyona girmeyen

hava yüzdesini ve baca gazlarında ekserji kaybını arttırmaktadır. Havanın düşük

olması durumunda ise yakıtın yanmadan dışarı atılmasına, fazla miktarda CO

oluşumuna sebep olmaktadır. Bu durum kazandaki ısı transferini

düşürmektedir. Bu sebeple, yanma odasında iyi bir yanmanın sağlanması ekserji

kaybını azaltacaktır. Atık ısı kazanında da izolasyon ve ısı transferini artırıcı

iyileştirmeleri yapılmalıdır. Ayrıca, yoğuşturucuda atılan ısının bir miktarının

ısıtma veya başka bir proseste kullanılması ekserji kaybını azaltacaktır.

Sonuç olarak, santraldeki ekserji kayıplarının azaltılması ile verimde artışın

sağlanacağı görülmektedir. Verim artışına paralel olarak enerji maliyetleri

azalacak ve çevreye salınan zararlı emisyonlarda düşüş gözlenecektir. Bu

91

yüzden enerji üreten santrallerde enerji ve ekserji analizlerinin yapılması

santralin gerçek performansını yansıtması bakımından oldukça önemlidir.

92

KAYNAKLAR Akdağ, M., 2009. Temel Kavramları ile Mühendislik Termodinamiği. Qafqaz

Üniversitesi Yayınları, Yayın No: 34, Bakü 2009. Akın, S., Zeybek, O., 2005. Rüzgaedan Electric Üretimi. Balıkesir Üniversitesi Fen

Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü. Erişim Tarihi: 05.01.2016. http://www.emo.org.tr/ekler/

Aljundi, I.H., 2009. Energy and Exergy Analysis of a Steam Power Plant in Jordan.

Applied Thermal Engineering, 29, 324–328, 2009. Balli, O., ve Aras, H., 2007. Energetic Analyses of the Combined Heat and Power

(CHP) System. Energy Exploration & Exploitation, 25 · Number 1 · 2007 Bilgiustam, 2016. Dünyada Kullanılan Enerji Kaynakları. Erişim Tarihi:

14.03.2016. http://www.bilgiustam.com/dunyada-kullanilan-enerji-kaynaklari./

Bolatturk, A., Coskun, A., Geredelioglu, C., 2015. Thermodynamic and

Exergoeconomic Analysis of Cayırhan Thermal Power Plant. Energy Conversion and Management, 101, 371-378, 2015.

Coşkun, A., 2011. Türkiye'deki Jeotermal Kaynaklar için Güç Santrallerinin

Termodinamik Analizi ve Optimizasyonu. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enistitüsü, Doktora Tezi, Isparta 2012.

Çengel, A.Y., Boles, M.A., 2008. Termodinamik Mühendislik Yaklaşımı, 946s,

İstanbul. Çetin, B., 2006. Gaz Türbinlerinin Optimal Performans Analizi. Yıldız Teknik

Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Doğuş Üniversitesi Dergisi, 7 (1) 2006.

Çınar, B.C., ve Çakır, C., 2015. Eren Enerji Elektrik Üretim A.Ş. Termik Santralinin

Enerji ve Ekserji Analizi. Yalova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği.

Çolak, İ., Demirtaş, M., 2008. Rüzgar Enerjisinden Elektrik Üretiminin

Türkiye'deki Gelişimi. Tübav Bilim Dergisi, Cilt:1, Sayı:2, Sayfa:55-62. Çubuğuuzun T., 2006. Gaz Türbinli Gemilerde Ekserji ve Termodinamik Analizi.

Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.

Deneysan, 2015. Termik Santral Nedir ve Nasıl Çalışır. Erişim Tarihi:

05.11.2015. http://deneysan.com/Content/images/documents/es02_

93

Deneysan, 2016. Nükleer santraller. Erişim Tarihi: 17.1.2016. http://deneysan.com/Content/images/documents/es03_17775976.pdf

Dere, M.A., 2012. Çift Yakıtlı (Dizel+Hidrojen) Bir Dizel Motorunda Enerji ve

Ekserji Analizi. Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi.

Durmusoglu, Y., Ust, Y, 2014. Thermodynamic Optimization of an İrreversible

Regenerative Closed Brayton Cycle Based on Thermoeconomic Performance Criterion. Applied Mathematical Modelling, 38, 5174–5186, 2015.

Erdem, H.H., Akkaya, A.V., Cetin, B., Dagdas, A., Sevilgen, S.H., Sahin, B., Teke, I.,

Gungor, C., Atas, S., 2009. Comparative Energetic and Exergetic Performance Analyses for Coal-Fired Thermal Power Plants in Turkey. International Journal of Thermal Sciences 48, 2179–2186, 2009.

Ersayın E., 2012. Bir Kombine Çevrim Tesisinin Performans Analizi. Celal Bayar

Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Manisa. Ersoy S., 2010. Kombine Çevrim Santrallerinde ısı Maliyetinin Belirlenmesi.

Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.

Goodarzi, M., Kiasat, M., Khalilidehkordi, E., 2014. Performance Analysis of a

Modified Regenerative Brayton and İnverse Brayton Cycle. Energy, 72, 35-43, 2014.

Güngör, A., 2013. Bir Kombine Çevrim Santralin Ekserji Analizi. İstanbul Teknik

Üniversitesi Enerji Enstitüsü, Yüksek lisans tezi. Ilık, A., 2012. Trijenerasyon Sistemlerinin Enerji ve Ekserji Analizi. Süleyman

Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enistitüsü,Yüksek Lisans Tezi, Isparta 2012.

Kaushik, S.C., Reddya, V.S., Tyagib, S.K., 2011. Energy and Exergy Analyses of

Thermal Power Plants: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 1857–1872, 2011.

Klein, S.A., 2008. Engineering Equation Solver (EES). Academic Commercial

V8.208, F-Chart Software, www.fChart.com. Kotas, T. J., 1985. The Exergy Method of Thermal Analysis. Anchor Brendon Ltd.,

Tiptree, Essex,Great Britain. ISBN 0-408-01350-8. Kwak, H.Y., Kim, D.J., Jeon, J.S., 2003. Exergetic and Thermoeconomic Analysis of

Power Plant. Department of Mechanical Engineering, Chung-Ang University, Seoul 156-756, South Korea. Energy 28 (2003) 343–360.

94

Özgener, L., Hepbaslı, A., 2015. Hava Sistemlerinde Ekserji Analizinin Gerekliliği ve Uygulamaları. https://www.researchgate.net/publication/267368093 Resarchgate Feb 18, 2015.

Rahim, M.A., 2011. Gaz Türbinli Kombine Çevrim Santral Performansının

Yükseltilmesi. Makina Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Maltepe-Ankara. Cilt:4, Sayı:3, Sayfa:188-198 Tübav Bilim Dergisi.

Selbaş, R., Yakut, A.K., Şencan, A., 2003. Güneş Kulesi Modeli ile Elektrik Enerjisi

Üretimi için Bir Uygulama. Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Isparta. Mühandislik Bilimleri Dergisi 9,2,2003.

Sevilgen, S.H., 2004. Exergoeconomic Analysis of Cogeneration System. Yıldız

Teknik Üniversites , Makina Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Yıldız-İstanbul, Accepted 12.10.2004.

Szargut, J., Morris D., R. , and Steward F., R., 1988. Exergy Analysis of Thermal,

Chemical, and Metallurgical Processes. Hemisphere Publishing Corporation, New York.

Şen, İ., 2006. Buhar Çevrim santralinin Termodinamiğin 2. Kanununa göre

Analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Isparta.

Uludağ, O., 2014. Performance Assessment of Three Diffrent HRSG's in a

Combined Cycle Power Plant by Exergy Analysis. Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enistitüsü, Yüksek Lisans Tezi.

Ust Y., Sahin, B., Yilmaz, T., 2007. Optimization of a Regenerative Gas-Turbine

Cogeneration System Based on a New Exergetic Performance Criterion: Exergetic Performance Coefficient. Power and Energy, 221 Part A: J. January, 30, 2007.

Vandani, A.M.K., Bidi, M., Ahmadi, F., 2015. Exergy Analysis and Evolutionary

Optimization of Boiler Blow Down heat Recovery in Steam Power Plants. Energy Conversion and Management 106, 1–9, 2015.

Yazıcı, H., Selbaş, R., 2011. Bir Buharlı Güç Santralinin Enerji ve Ekserji Analizi.

Selçuk Üniversitesi ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 10, Number:1-2011 Teknik-Online Dergi Cilt 10, Sayı:1-2011 117.

Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012. Güneş Enerjisi ve Teknolojileri.

Erişim Tarihi: 06.12.2015. http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_tekno.aspx

95

Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012. Hidroelektrik Enerjisi Nedir. Erişim Tarihi: 06.12.2015. http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/h_hidrolik_nedir.aspx

Wikipedia, 2015. Elektrik Santrali. Erişim Tarihi: 06.12.2015.

https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrik_santrali.

96

ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI Doğum Yeri ve Yılı : Kerkük-Irak, 1982 Medeni Hali : Evli Yabancı Dili : İngilizce-Arapca E-posta : mohammed.ghazi82@yahoo.com Eğitim Durumu Lise : AL-Waleed Lisesi, 2001 Lisans : Kerkük Teknik Üniversitesi, Soğutma ve İklimlendirme Mühendisliği Bölümü Mesleki Deneyim Kerkük Teknik Üniversitesi 2007-…….. (halen)

Taranmış Fotoğraf

(3.5cm x 3cm)