DOĞALGAZ YAKITLI KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLA

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

DOĞALGAZ YAKITLI KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLA

DOĞALGAZ YAKITLI KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLARI

Bülent ÖZGÜREL - M. Sinan EGELİ

Türkiye Elektrik Üretim-İletim A.Ş. Santrallar Proje ve Tesis Dairesi

ÖZET

Fosil yakıtlar, dünya enerji üretiminde kullanılan en önemli kaynak olmak özelliğini halen korumaktadır. Ancak fosil yakıtlı konvansiyonel santrallarda yanına ürünü olarak oluşan zararlı atıkların yol açtığı çevre kirliliği ve global ısınma gibi olumsuzluklar, enerji üretiminde çevresel etkileri de dikkate alan yeni arayışları gündeme getirmiştir. Gaz türbin teknolojisindeki gelişmeler neticesinde % 55 gibi yüksek bir verimliliğe ulaşan doğal gaz yakıtlı kombine çevrim santralları; fosil yakıtlı santrallar içinde en yüksek verime ulaşması, CCh atımının diğer kovansiyonel santrallara göre daha az olması, NOx emisyonunun limitlerin çok altına düşürülmesi ve çevreye olumsuz etkilerinin çok az olması nedenleriyle son yıllarda dünyada en çok tercih edilen enerji üretim sistemi konumuna gelmiştir.

Son Cevap: marlo

24 Cevap
0
Beğen
13561

Diğer Mekanik Tesisat Konuları

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

1. GİRİŞ

Elektrik enerjisi üretiminde, nükleer, hidro ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının günden güne daha da artmasına karşın, halihazırda dünya elektrik enerjisi üretiminin yaklaşık % 65'lik kısmını karşılayan fosil yakıtlı termik santrallarda da hızlı bir artış görülmektedir. Aşağıda şekil 1'den de görüleceği üzere dünyada 1985-1989 yıllarında fosil yakıtlara dayalı toplam 37700 MW gücünde santral sipariş edilmişken, bu miktar yılda yaklaşık % 7.2 artışla 1990-1994 döneminde 53400 MW'a ulaşmıştır. Dünyadaki elektrik tüketiminin 1995-2010 yılları arasında % 60 oranında artacağı tahmin edilmekte olup; 1995-1999 döneminde yılık % 3.7'lik bir artışla toplam 64000 MW, 2000-2994 döneminde ise yılda % 3. artışla toplam 75000 MW kurulu gücünde yeni fosil yakıtlı santralların sipariş edilmesi beklenmektedir.

Şekil 1'de belirtilen Gaz türbini ve Kombine Çevrim değerleri içinde, kombine çevrim olarak sipariş edilmiş olan santrallann toplam kurulu gücü 1985-1989 döneminde toplam 47 00 MW iken, bu miktar 1990-1994 döneminde 19 500 MW olmuştur. Yeni tesis edilecek kombine çevrimlerin 1995-1999 döneminde 12000 MW'a 2000-2004 döneminde ise 28000 MW'a ulaşacağı tahmin edilmektedir. Görüleceği üzere 1989 yılı itibariye kombine çevrim santralları, fosil yakıtlı santrallar içinde yaklaşık % 12.5 oranında bir yer tutmakta iken, 2000 yılına girerken bu oran % 37 mertebesine ulaşacaktır. Bu oranın artmasında en önemli etken ise kombine çe-rimlerde elde edilen yüksek termik verim olmaktadır.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

Verim artışı bir yandan CO2 emisyonunu daha da azaltmakta bir yandan da yakıt tüketiminde büyük tasarruf sağlamaktadır. Örneğin 3.75 US$/Giga Joule yakıt fiyatına göre 350 MW'ık bir kombine çevrim santralinde termik verimdeki % 1'lik bir artış yaklaşık olarak 6.3 milyon US$'lık bir bedele tekabül etmekte, bu ise toplam yatırım bedeli içinde % 4.5'lük bir yer tutmaktadır. Siemens firması tarafından yapılan bir çalışmaya göre, santral veriminin % 55'ten % 57'ye çıkarılmasıyla 350 MW'lık üç bloktan oluşan bir kombine çevrim santralında 20 yıllık bir işletme sürecinde elde edilen kazanç yaklaşık 81 milyon US$ olmaktadır. Bu ise toplam ilk yatırım bedelin % 20'sine tekabül etmektedir.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

UDI/MeGravv-Hill tarafından yapılan bir çalışmada ise (World Drectory of New Electric Power Plants). 1993-2002 yılları arasında dünya enerji üretim kapasitesine tüm yakıtlar itibariye gelecek toplam ilave kapasitenin % 26'sının gaz yakıtlı enerji üretim tesisleri olacağı belirtilmekte ve toplam kapasite içinde doğalgaz yakıtlı santrallara 113927 MW, LNG yakıtlı santrallara 21755 MW ve diğer gaz yakıtlı santrallara ise 4212 MW'lik bir pay ayrılmaktadır.

Gaz yakıtlı enerji üretim tesislerinde görülen bu büyük artışın bir diğer önemli nedeni ise, son yıllarda çevre sorunlarının kritik boyutlara ulaşması ve çevreye verilen önemin artmasıdır. Bu nedenle, elektrik enerjisi üretiminde daha az yakıt tüketimiyle yakıt rezervlerinin en ekonomik şekilde kullanımını sağlayacak ve dolayısıyla daha az çevre zararıyla elektrik üretecek yeni teknolojiler geliştirilmeye başlamıştır.

Bu anlamda kombine çevrim santralları günümüzde en yaygın tesis edilen ve son yıllarda en çok tercih edilen baz yük santralları durumuna gelmiştir.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

2. KOMBİNE ÇEVRİMİN TANIMI

Kombine Çevrim terimi, esas itibariyle gaz türbin çevrimi ve buhar çevriminin bir sistem içine alınarak birbirini tamamlayıcı şekilde çalıştırılmasını ifade etmekte olup, genel prensibi gaz türbin çevriminden çıkan egzost gazlarının yüksek dereceli ısısının su/ buhar çevriminde kullanılarak ek bir enerji üretiminin sağlanmasına dayanmaktadır. Kombine çevrimlerde birincil olarak elektrik üretimi sağlanmakla birlikte, istenirse çevrimden ara buhar alınarak santral, birleşik ısı-güç (cogeneration) sistemi olarak da çalıştırılabilir. Bu özelliği ile kombine çevrimler, ısı-güç üretiminde günümüzde varolan en verimli yöntem konumundadır.

Genel olarak kombine çevrimin çalışma prensibi şöyle özetlenebilir:

Atmosferden alınan hava, bir filtre sisteminden geçirildikten sonra gaz türbinin kompesör kısmına girer ve burada sıkıştırılarak yanına odasına iletilir. Yanma odasına püskürtülerek verilen yakıt da bu sıkıştırılmış hava ile karışarak yanar. Yanına sonucu oluşan 1000-1100 °C sıcaklığındaki atık gazlar bir egzost kanalıyla atık ısı kazanına iletilir. Egzost gazlarını burada su/buhar çevrimine transfer ederek soğur ve daha sonra kazan basıncından atmosfere atılırlar.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

Atık ısı kazanlarında, genel olarak üç ayrı ısı eşanjör bölümü bulunur. Su/buhar çevriminde, su/ kondensat ilk önce kazanın ekonomize bölümüne girer ve doyma sıcaklığının çok az altında bir sıcaklığa kadar ısıtılır, daha sonra evaporatör bölümünde buhar haline dönüşür ve bu doymuş buhar kızdırıcı bölümünde tekrar ısıtılarak kızgın buhar olarak türbinine verilir. Yukarıda tek basınç kademeli bir kazan/buhar türbini grubu için su/buhar çevrimi basit olarak izah edilmiştir. Ancak, kazan/buhar türbini gruplarının tekrar kızdırmalı veya tekrar kızdırmasız, iki ya da üç basınç kademeli olmaları durumunda; ekonomizör, evaporalör ve kızdırıcı bölümleri de her bir basınç kademesi için kazan içinde ayrı ayrı yer alırlar ve bu basınç kademelerine bağlı olarak su/buhar çevrimi de kendi içinde ayrı çevrimler oluşturur.

Atık ısı kazanında üretilerek türbine verilen buhar, türbin kademelerinde genleşir ve böylece termik enerji mekanik enerjiye dönüştürülmüş olur. Türbinin tahrik edilmesiyle de türbine bağlı genaratörden elektrik enerjisi üretilir.

Buhar türbininden çıkan düşük basınç ve sıcaklıktaki buhar kondensere gelir ve burada soğutma sistemi vasıtasıyla yoğuşturularak su haline dönüşür. Daha sonra kondensat pompalarI ile, içlerindeki yoğuşmamış gazların alınması için degzör/besleme suyu tankına gönderilir. Su, besleme suyu tankından besleme suyu pompalan ile tekrar atık ısı kazanına basılır. Bu şekilde su/buhar kapalı çevrimi; kazan, buhar türbini ve kondenser arasında sirküle eder.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

3. KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLARININ AVANTAJLARI

Kombine çevrimin en büyük avantajı, fosil yakıtlı santrallar içinde en yüksek verime sahip olmasıdır. Günümüzde, 20 MW'ın üstüne güçlere haiz gaz türbinlerine dayalı tekrar kızdırmalı ve üç basınç kademeli kombine çevrimlerde net % 55 civarında verime ulaşılmıştır.

Tablo 1'den de görüleceği üzere, kombine çevrimlerde ulaşılan verimler, süper kritik basınçlı tekrar kızdırmalı buhar türbin verimlerinden de yüksektir.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

Yüksek veriminin dışında kombine çevrim santrallarının daha birçok avantajı bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi de kombine çevrimlerin birçok değişik alana hizmet verebilecek esnekliğe sahip olmasıdır. Kombine çevrim santrallarında yalnızca elektrik üretimi yapılabildiği gibi, aynı zamanda ister kazandan isterse buhar türbinden alınacak ara buharın bölgesel ısıtmada ya da prosesde kullanılmasıyla santral, % 85-90 civarında bir ısıl verimlilik ile ve birleşik ısı-güç (cügeneration) sistemi olarak da hizmet verebilir.

Kombine çevrimlerde doğal gazın her çeşidi, ham pertolden motorin ve fuel-oil'e kadar tüm likit yakıtlar ile gazlaştırma yöntemi ile kömür dahil olmak üzere çok geniş bir yakıt kullanım olanağı mevcuttur. Ayrıca istendiği takdirde gaz türbin brülörleri çift yakıt yakabilecek şekilde de dizayn edilmektedir. Örneğin Ambarlı Kombine Çevrim Santralında doğalgazın yanı sıra gerektiğinde fuel-oil de kulanılabilmektedir.

Kombine çevrim santrallarının soğutma suyu ihtiyacı diğer konvansiyonel tip sandallardan daha azdır. Zira kombine çevrimlerde toplam elektrik üretiminin yalnızca üçte bir mertebesindeki kısmı buhar türbinlerince yapılmaktadır. Bu nedenle sistemle ilgili masraflar ve çevreye yapılan ısı deşarjı da dahil olmak üzere soğutma suyu ile ilgili bir çok sorun büyük ölçüde azaltılmış olmaktadır.

Kombine Çevrim santrallarının tercih edilme nedenlerinden biri de ekonomik olmasıdır. Zira herhangi bir kazan/buhar türbin ünitesine göre birim (kW) yatırım maliyetleri daha azdır. Örneğin 1400 MW'lık bir kombine çevrim santralının yaklaşık birim yatırım maliyeti 1995 yılı fiyatları ile 350-400 US$kW iken, 320 MW'lık konvansiyonel bir termik santralın baca gazı arıtma sistemi dahil birim yatırım maliyeti 1200-1500 US$/kW civarındadır.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

Ayrıca % 55 civarındaki yüksek verimi nedeniyle, yakıt fiyatlarına göre değişkenlik göstermesine karşın genel anlamda konveksiyonel buhar santrallarına göre kombine çevrim santrallarının birim üretim (kWh) maliyeti daha azdır. Örneğin, birim fiyatı 12,46 US$7106 kcal olan doğalgaz kullanan 700 MW gücünde % 55 verimli bir kombine çevrim santralında üretim maliyeti yaklaşık 3 cent/kWh olurken, birim fiyatı 6,92 US$7106 kcal olan linyit kullanan 2x340 MW gücünde % 35.5 verimli konvansiyonel bir termik santralda üretim maliyeti 4,27 cent/kWh olmaktadır.

Kombine çevrim santrallarının verimlerinin yanı sıra emre amadelik ve güvenirlilik oranları da yüksektir.

Gerek verim ve üretim kapasitesinin, gerekse emre amadelik ve güvenirlik oranlarının yüksek olması nedeniyle toplam yatırımın geri ödeme süresi de çok kısa olmaktadır. 1993 yılında yaptığımız bir fizibilite çalışmasında % 100 kredili olarak tesis edilecek ve yılda 7000 saat çalışacak bir kombine çevrim santralının geri ödeme süresi 30 ay olarak bulunmuştur.

Kombine çevrim santrallarının en önemli avantajlarından birisi de konuya çevresel açıdan bakıldığında ortaya çıkmaktadır. Günümüzde çevreye verilen önemin büyük ölçüde artmış olması ve bu nedenle zararlı madde emisyonları ile ilgili limit değerlerin oldukça düşük seviyelere çekilmesi sonucunda kombine çevrim teknolojileri büyük rağbet görmeye başlamıştır. Doğalgaz yakıtlı bir kombine çevrim santralı bir kömür yakıtlı bir buhar santralı için Tablo-2'de gösterilen emisyon değerleri, kombine çevrim santrallarının önemini bu anlamda daha açık olarak ortaya koymaktadır.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

Bunların yanı sıra özellikle ilave yanmasız kombine çevrim santralları ele alındığında diğer avantajlar da şöyle özetlenebilir;

• Konvansiyonel termik santrallara göre tesis süresi daha kısa ve modüler yapısı daha basit olan kombine çevrim santrallarının işletmesi daha kolaydır. Bundan dolayı işletme personeli ihtiyacı daha az olmaktadır.

• Santralın bütünü ihtiyaç duyulan alan konvansiyonel termik santrallardan daha küçüktür. Örneğin kül stok sahası hariç santral ana yapıları, salt sahası ve kömür park sahası için 4x340 MW'lık Afşin-Elbistan Santralına yaklaşık 120 hektar bir alan kullanılırken, 3x450 MW'lık Ambarlı Kombine Çevrim Santralının ana yapılar ve salt sahası yerleşim alanı, fuel-oil arıtma sistemi dahil yalnızca 23 hektardır.

• Gaz türbin üniteleri ile atık ısı kazanları arasına by-pass bacası ve damperlerinin konulması durumunda gaz türbinlerinin, kazan ve buhar türbi ünitelerinin tamamlanmasını beklemeden çok kısa sürede işlemeye alınabilmesi ve kombine çevrim grubunun devreye alınmasına adar sürekli basil çevrimde çalıştırılabilme olanağı mevcuttur. Örneğin, Ambarlı Kombine Çevrim Santralının ilk iki gaz türbin ünitesi sözleşmenin yürürlüğe girmesinden 8 ay sonra devreye alınmıştır.

• Gaz türbinlerinin 15-20 dakikada tam yüke ulaşabilmeleri neticesinde kombine çevrim santrallarının çabuk devreye alınması mümkün olmaktadır.

• Küçük yerleşim alanı ihtiyacı nedeniyle istenirse şehir yük merkezlerinin çok yakınında kurulabilme olanağı vardır.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

• Gerek yüksek verimi ve ekonomikliği gerekse çevreye dost özelliği ile doğalgaz yakıtlı kombine çevrim santrallarını günümüzde en çok tercih edilen fosil yakıtlı santral konumuna gelmiştir. Örneğin ABD'de 1990-2000 yılları arasında toplam 21500 MW kömür yakıtlı santral kurulması planlanmış iken, aynı dönemde çoğu kombine çevrim ve birleşik ısı-güç (cogeneration) santralı olmak üzere kurulması planlanan toplam doğalgaz yakıtlı santral 52200 MW civarındadır. 2000 yılma kadar kurulması planlanan doğalgaz yakıtlı santrallarını toplam kurulu gücü, bu an yıllık dönem için tahmin edilen 44800 MW'lık kapasitenin % 17 üzerinde olmaktadır (Modern Power Systems-May 1993).

Shell firması tarafından İngiltere ve Galler için yapılan bir çalışmaya göre de bu ülkelerde 2003 yılına kadar ihtiyaç duyulan toplam ilve kurulu güç kapasitesi yaklaşık 20000 MW'dır.

Bu dönem içinde kömür yakıtlı santralların çoğu ve bir kaç nükleer santral ile bir tane çift yakıtlı santral kapatılacak ve 2000 yılına kadar 10000 M W, 2003 yılına kadar da toplam 20000 MW doğalgaz yakıtlı kombine çevrim santralı kurulacaktır (Brain W. Gainev. Shell Ltd. Gas Pojer 92 Conference-London).

Yukarıda bahsedilen avantajları nedeniyle bir yandan dünyanın bir çok ülkesinde yeni kombine çevrim santralları kurulurken bir yandan da konvansiyonel termik santrallar çeşitli uygulamalarla kombine çevrim haline dönüştürülmektedir. Bu tip dönüşüm uygulamaları ve belli başlı kombine çevrim sistemleri aşağıda özetle anlatılmıştır.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

4. KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLARI UYGULAMALARI

Kombine Çevrim santrallarının aşağıdaki üç ana grupta uygulamaları mümkündür.

• İlave yanmasız kombine çevrim

• Tam yanmalı konbine çevrim

• Paralel-güç üniteli kombine çevrim

Bu üç uygulama şeklinden birinin seçilmesi tamamen yakıtın mevcudiyeti ile mevcut bir santralın iyileştirilmesi veya yeni bir santralın kurulması durumları için planlama çalışmalarına bağlı olacaktır.

4.1. İlave Yanmasız Kombine Çevrim Santralları

(Unfred Combined Cyde Power Plants)

İlave yanması/, konbine çevrim santrallarında, yanma tamamen gaz türbininde olur ve türbinin egzost gazı bir atık ısı kazanına gönderilir. Basit konveksiyon tip ısı eşanjörleri olan alık ısı kazanlarında ise, herhangi ilave bir yakıt yakılmadan sadece gaz türbini egzost gazlarının yüksek ısısından yararlanılmak suretiyle buhar elde edilir. Genel olarak gaz türbinleri ile aynı sayıdaki atık ısı kazanları, buhar kapasitesine bağlı olarak bir veya daha çok buhar türbinine bağlanır.

Bu tip kombine çevrim santrallarının da buhar çevrimi, "iki basınç kademeli/tekrar kızdırmasız" veya " üç basınç kademeli/tekrar kızdırmalı" şeklinde olmaktadır. İki basınç kademeli kombine çevrimler, basit tekrar kızdırmasız buhar çevrimleri olmasına karşın oldukça iyi bir termik performans göstermektedirler. Ülkemizde doğalgaz ile çalışan bu tipte iki kombine çevrim santralı bulunmaktadır.

Hamidabat (Lüleburgaz)'da kurulmuş olan 1200 MW Trakya Doğalgaz Kombine Çevrim Santralının 2+2+1 konfigorsyonundaki dört kombine çevrim bloğunda toplam 8 adet gaz türbin ünitesi, 8 adet atık ısı kazanı ve 4 adet buhar türbin ünitesi bulunmaktadır. Gaz türbinlerinin nominal kapasitesi 95 MW, buhar türbinlerinin nominal kapasitesi ise 110 MW'dir. Santralın ilk gaz türbin ünitesi, sözleşmenin yürürlüğe girmesinden 12 ay sonra Aralık 1985 tarihinde işletmeye alınmıştır. İlk kombine çevrim bloğu sözleşmenin yürürlüğe girmesinden 29 ay sonra işletmeye alınan santralda yapılan performans testlerinde elde edilen en düşük verim % 50,23 ve en yüksek verim ise % 52,20 olmuştur.

Supervisor marlo
18 Haziran 2008

İstanbul'un 40 km batısında kurulmuş olan 1350 MW Ambarlı Doğalgaz Kombine Çevrim Santralının yine 2+2+1 konfigürasyonundaki üç kombine çevrim bloğunda ise toplam 6 adet gaz türbin ünitesi, 6 adet atık ısı kazanı ve 3 adet buhar türbin ünitesi bulunmaktadır. Gaz türbinlerinin kapasitesi 138.80 MW, buhar türbinlerinin nominal kapasitesi ise 17.40 MW'dir. Santralin iki gaz türbin ünitesi sözleşmenin yürürlüğe girmesinden sekiz ay sonra Ağustos 1988 tarihinde paralele alınmışlardır. İlk kombine çevrim bloğunun orijinal tesis süresi 26 ay olan santralda yapılan performans testlerinde elde edilen en düşük verim % 52, en yüksek verim ise % 52.50 olmuştur.

TEAŞ Genel Müdürlüğü tarafından Bursa'da tesis edilecek olan 1400 MW gücündeki yeni kombine çevrim santralında ise; her birinde 200 MW'ın üzerinde güçlere haiz iki gaz türbini ile bir buhar türbini bulunan 700 MW'lık iki blok olacaktır. "F" tipi olarak adlandırılan ve günümüzde ticari işletmeye alınmış en gelişmiş gaz türbinlerinin kullanılacağı santralın atık ısı kazanları/buhar türbini grubu, "üç basınç kademeli/tekrar kızdırmalı" olacak ve böylece net verim % 55 mertebesine yükseltilecektir.

Ayrıca, düz-buhar çevrimli yada düz-gaz çevrimli termik santralları da, mevcut buhar türbin ünitelerine gaz türbinleri veya mevcut gaz türbinlerine buhar türbinleri eklenmesiyle, ilave yanmasızı kombine çevrim santralına dönüştürülecek daha yüksek verim ve çıkış güçlerine ulaşabilir.