Kojenerasyon Için, Kompakt, Orta Boy, Kombine Çevrim Tesisleri
Kulderen CANSELEN
KTMMOB EMO Baskan
BU YAZI ABB REVIEW ‘NUN 4/97. SAYISINDAN DERLENMISTIR.
Günümüzde
kombine
çevrim
enerji
tesisleri yüzde 50 ile 58 arasinda randiman
degerlerine ulasmakta ve bu hemen hemen yüzde
90’lik bir yakit kullanimi gerektiren sistemlerle
saglanmaktadir. Gerek bu özellikler gerek buna ek
olarak düsük ilk maliyetler ve kisa insaat süreleri,
orta boy kombine çevrim tesislerini merkezi
olmayan güç ve isi üretimi için ilginç bir seçenek
haline getirmektedir. Bu gibi tesislerin kalbi GT10
endüstriyel gaz türbinidir. Bu türbin 25 MW güçte,
dayanikli ve hafif bir ünite olup, orta güç sinifinda
son yillarda bir Pazar lideri olmustur.
ABB’nin dünyanin ilk kombine çevrim
tesisini kurdugu 1956 yilindan beri bu teknoloji,
kapasiteleri giderek büyüyen ve daha iyi çevrim
randimanlari için yanma sicakliklari giderek
artirilan
gaz
türbinlerindeki
gelismelerden
etkilenmistir. Kombine çevrim tesisleri bugün artik
yüzde 50 ile 58 arasinda randimanlar sunabilmekte
ve birkaç yil içinde yüzde 60 randimana ulasilmasi
olasi görülmektedir.
Yüzde 58 randimanda dahi, isi enerjisinin
yüzde 42’si ziyan olmaktadir. Bu enerji, buhar
türbinlerinde kullanilamayan düsük verili buhar/su
içerebilir. Ancak, bunu endüstriyel proses buhari
için buhar/sicak su üretmede kullanmak suretiyle,
yüzde 90 dolaylarinda bir toplam yakit kullanimi
elde edilebilir.
Buna bir örnek, Isveç’in Angelholm kenti
belediyesine saglanmis bulunan ABB’nin kombine
çevrim kojenerasyon tesisidir. Bölge isitma
modunda isletildiginde, bu tesis yüzde 87’lik bir
yakit
kullanimi
göstermektedir.
Soguk
kondansasyon uygulamasinda yani yalnizca elektrik
enerjisi üretildiginde, orta boydaki bu tesis yüzde
50’lik bir net elektrik randimani ile çalisir.
Kombine çevrimli bir kojenerasyon
tesisinin yakit kullanimindaki muazzam iyilesme
sirf güç üretimi için kullanilan kombine çevrimli bir
tesis ile kiyaslandiginda, büyük olanin küçüge göre
randiman avantaji daha azdir. Isi uzak mesafelere
iletilemediginden dolayi, çok büyük bir kontrol
tesisi (merkezi tesis) kurmak yerine yeteri kadar
sayida daha küçük kombine çevrim tesislerini isi
tüketicilerinin yakinina kurmak normalde daha
ekonomiktir. Böyle bir tek büyük tesis kurulmasi
ise yalnizca elektrik üretileceginde söz konusu olur.
[1]
Son on yil içinde, dünyanin her tarafinda
çesitli uygulama amaçlari için 20 ilâ 50 MW
gücünde kurulan kombine çevrim tesislerinin
sayisinda keskin bir artis meydana gelmistir.
Üretilen Enerjinin Dagitilmasi
Ancak kojenerasyon, küçük boy kombine
çevrim tesislerinin kullanimindaki artisin tek nedeni
degildir. Çok önemli bir rolü, elektrik enerjisi
endüstrisinde dünya çapinda sürmekte olan, tek
merkez disinda (desantralize) ve bagimsiz güç
üretimi için yeni firsatlar yaratmis bulunan
otoprodüktör kurumlar almaktadir.
Yeni yasal düzenlemelerin bir sonucu
olarak, endüstrideki büyük güç kullanicilari ya
kombine
çevrim
kojenerasyon
veya
sirf
kojenerasyon tesisleri kurmak suretiyle önemli
maliyet tasarruflari saglamayi ve gelirlerini
artirmayi basarmislardir. Kagit, petrol ve kimyasal
maddeler gibi isi-yogun endüstriler kendi
kojenerasyon tesislerine sahip olmaktan yarar
saglayabilirler. Isiya olan gereksinimin elektrige
olan gereksinimden daha büyük oldugu yerlerde
bile oldukça büyük bir güç üretim kapasitesi
düsünülebilir, çünkü elektrik fazlasinin satisindan
gelen gelir, yatirimin kendini geri ödeme süresini
önemli ölçüde kisaltabilir.
ABB dünyanin her tarafinda petrol
rafinelerine
kojenerasyon
tesisleri
saglamis
bulunmaktadir. Bunlarda biri, Yunanistan’in Korent
yöresindeki bir rafineride bulunan güç tesisidir. Bu
tesiste kendi kullanimi için isletme buhari ve güç
üretmek üzere atik gazlar kullanilmakta olup
elektrik fazlasi kamu sebekesine beslenmek
suretiyle satilmaktadir.
Yeni düzenlemeler (tüzükler), güç kaynagi
endüstrisinde büyük bir yapisal degisiklik meydana
getirmistir. Örnegin, daha önceleri yalnizca elektrik
dagitimi yapan sirketler-bunlara belediye dagitim
kuruluslari da dahildir- elektrigi nisbeten küçük
kapasiteli tesislerde üretmeye geçmislerdir.
Isveç’in Linköping kentinde, Tekniska
Verken i Linköping AB adli kamu hizmetleri
kurulusu yakin zaman önce Gärstad’daki atik yakit
yakan isi tesisini kombine çevrimli bir tesise
dönüstürmüs bulunmaktadir.
Tesis
1980’li
yillarin
baslarinda
kuruldugunda, kendi elektrigini üretmesi için
Tekniska Verken’in fazla bir ekonomik beklentisi
yoktu, ve bu nedenle tesise bir buhar türbini dahil
edilmemisti. Bir gaz türbini ile bir buhar türbininin
kurulmasindan sonra, tesisin termik çiktisi 73
MW’tan 83 MW’a yükselmis ve ek olarak 49 MW
elektrik üretilmistir. Halen Isveç’te elektrik
fiyatinin yüksek olusu, bu kapasite artisinin
ekonomik yönden iyi bir yatirim olmasini
saglamistir.
14
Büyük kuruluslar da bu yeni ortamda
rekabet edebilmek için kendi stratejilerini
gelistirmis bulunmaktadir. Örnegin Hollanda’nin
PNEM kurulusu yakin zaman önce ABB’nin üç
kombine çevrili tesisini kurmustur. Bu santraller,
uzun vadeli sözlesmelerle Hertogenbosch’da
Heineken bira fabrikasina, Bergeb-on-Zoom
yöresindeki bir Philip Morris tesisi ile
Helmond’daki
bir
gübre
fabrikasina
isi
saglayacaktir.
1996 yilinda ABB, Hollanda’nin Gasunie
ve Edon firmalarinin bir ortak girisimi olan GasEdon,
Emmen
firmasinin
Erica
ve
Klazienaveen’deki güç santrallarina iki adet
kombine çevrim kojenerasyon tesisi teslim etmistir.
Üretilen isi, yerel ticari seralara saglanmaktadir. Bu
projelerin hepsinde isi/buhar için büyük tüketici
müsterilere yakinlik, ekonomik fizibilite için kritik
önem tasimistir.
Diger önemli bir gelisme, özellikle
yeniden düzenlenmis ABD güç pazarinda gücün
dagitilmasi kavramina olan ilginin giderek artmasi
olmustur. Bunun baslica avantajlari, iletim alt
yapisinda pahali yatirimlardan kaçinmak ve iletim
kayiplarindaki
azalmadir.
Kojenerasyon
yapilmadiginda bile, orta boy kombine çevrim
tesisleri, dagitim kuruluslari için çesitli avantajlar
saglamaktadir. Insaat giderleri nisbeten düsüktür ve
tesisler isletme yönünden son derece esnektir: farkli
tiplerde yakitlar kullanilabilir ve isletmeye alma
süreleri kisadir.
Güç
üretiminin
merkeziyetçilikten
uzaklastirilmasi ve kojenerasyon yönündeki iglimin
sonucu olarak, kombine çevrim orta boy tesislere
olan talep giderek artmistir. Gerek teknoloji gerek
pazar gelistikçe, adalarda, kiyi ötesi büyük
platformlarda ve ayni zamanda yolcu gemilerinde
ve elektrik tahrik sistemi bulunmayan hizli kargo
gemilerinde oldugu gibi, diger firsatlarin da ortaya
çikmasi beklenmektedir.
sirasinda kaldirma agirligini azaltmak üzere yanma
odasi bir modül halinde degistirilebilir.
Ekonominin Iyilestirilmesi
Küçük kapasiteli tesislerde var olan bir
problem, bunlarin beher birim kapasite için
maliyetlerinin nisbeten yüksek olusudur. Kendi orta
boy, kombine çevrim tesislerini kullanicilar için
olabildigince ekonomik hale getirmek üzere, ABB
STAL tarafindan bazi teknik çözümler getirilmistir.
Isletmeye alma giderlerini ve teslim sürelerini
minimuma indirmek üzere imalat ve montaj
yöntemleri
rasyonalize
edilmis tir.
Örnegin,
Angelholm kentine ait kojenerasyon tesisi siparisin
verilmesinden sadece 15 ay sonra ticari isletmeye
baslamistir. ABB tarafindan kombine çevrim
tesislerinde kullanilan komponentlerin birçogu
standardize edilmistir veya modüler tipte olup hem
yüksek güvenilirlik hem de düsük maliyet saglar.
Her müsteri, her kurulus yeri ve her uygulama
farklidir, ve bu nedenle tesisler spesifik durumlar
için özel olarak dizayn edilir. Münferit uygulamalar
için küçük kapasiteli tesisleri dizayn etmek, büyük
kapasiteli tesisleri dizayn etmekten daha kolaydir.
Kombine çevrim tesisleri dizayn ederken
hesaba alinmasi gereken önemli bir faktör,
çogunlukla sanayi bölgelerinde kurulmus bulunan
birçok
kullanicinin
isyerinde
yeterli
yer
bulunmayisidir.
Bazen,
insaat
giderlerini
minimumda tutmak için tesislerin mevcut binalara
uydurulmasi gerekir. Tesisin yerlestirme alanini
küçültmeye
yönelik
çalismalar,
tek
dizili
yerlestirme konsepti gibi çesitli çözümlere yol
açmistir.
Tek Dizili Ve Çok Dizili Düzenlemeler
ABB STAL GT10 kombine çevrim
tesisinin dizaynini optimize etme çalismalarina
basladiginda, sirketin kendi buhar türbini
tesislerinden kazanmis oldugu deneyimler büyük
yarar saglamistir. VAX (disli, eksenel akisli) buhar
türbini uygulamalarinin birinde, yüksek basinçli ve
düsük basinçli iki buhar türbini, ortak bir jeneratörü
birer ucundan tahrik etmekte olup buna “tek dizili”
uygulama denmektedir. Yüksek basinçli buhar
türbini genellikle düsük basinçli üniteden daha
yüksek hizda çalistigindan, yüksek hizli türbin ile
jeneratör arasinda bir disli kutusu kullanilir.
Kombine
çevrim,
tek
dizili
bir
düzenlemede, bir gaz türbini ve bir buhar türbini
her iki uçtan tahrik edilen bir jeneratörü paylasir.
Bu yegane çözüm degildir, ve küçük kapasiteli
tesislerin disinda yaygin olarak kullanilmamaktadir.
Genel olarak, gaz türbininin hizi
jeneratörün hizina düsürülmelidir. Bu her ne kadar
yüzde bir kadar kayba yol açarsa da, küçük çapli
türbin kullanilmasi sayesinde kayiplar fazlasiyla
telafi edilir, dolayisi ile türbin içindeki kayiplar
daha azdir, ve sonuçta sistemin bir bütün olarak
randimani daha yüksektir.
GT10 Gaz Türbini
Yukarida belirtilen kombine çevrim
kojenerasyon tesislerinin tümü, orta boy
uygulamalarda son birkaç yildir pazar lideri haline
gelmis olan GT10 gaz türbininin etrafindan insa
edilmistir. GT10 agir hizmete uygun hafif bir
endüstriyel gaz türbini olup 25 MW gücündedir ve
yüzde 34 açik çevrim randimanina sahiptir.
Kombine çevrim randimani yüzde 50’nin biraz
üzerindedir. Türbinde ABB’nin kuru, düsük No x’lu
(azot oksit) yakma sistemi kullanilmakta olup, % 15
O2 ’de 24 ppmv No x ile ve düsük CO ve UHC
(yanmamis hidrokarbonlar) ile sonuçlanir.
GT10 türbininin dayanikliligi, bu ekipmani
uzun süreli ve devamli isletmeler için uygun
kilmaktadir. Revizyonlar arasindaki sürenin uzun
olmasi ve servisin isyerinde yapilmasini mümkün
kilan modüler dizayn nedenleriyle, ekipmandan
yararlanabilme orani yüksektir. Örnegin, bakim
15
ABB STAL, gerek gemi ve mekanik tahrik
uygulamalari gerek enerji santrallarinda kullanim
için disliler saglamada uzun bir gelenege sahip
bulunmaktadir. Tipik kombine çevrim, tek dizili
düzenlemelerde, kullanilan disli kutulari episaykil
tip (merkezsel bir daire çevresi üzerinde devreden
küçük daireler) olmayip, nisbeten basit, küçük boy
ünitelerdir.
Tek dizili düzenlemenin bir avantaji,
yerlestirmenin daha kompakt olusudur. Tasarruf
edilen alan önemli olup tipik olarak yüzde 10
kadardir. Gerek temeller gerek yapilar bu ölçüde
küçültülebileceginden, bunun maliyetler üzerinde
olumlu bir etkisi vardir.
Bir tek büyük jeneratör, iki adet küçük
jeneratörden daha ucuz ve daha randimanlidir. Tek
jeneratör dizayninda, yardimci elektrik ekipmani
maliyeti de daha düsüktür. Özellikle, bir tek
jeneratör düzenlemesi için gerekli yüksek gerilim
ekipmani, güç seviyesi daha yüksek olsa bile iki
ünite için gerekli olandan daha azdir.
Bir gaz türbini ile bir buhar türbini
kullanilmasinin söz konusu oldugu durumlarda, tek
dizili düzenleme genellikle en ekonomik yoldur.
Ancak birden fazla gaz türbini kullanildiginda
durum farklidir, çünkü iki yerine bir gaz türbini
kullanildiginda tasarruf daha büyüktür.
Ayni yere iki gaz türbini kuruldugunda,
genellikle tesbit edilen husus su olmustur: en düsük
maliyetli çözüm gaz türbinlerinden birini ayni
zamanda iki ünite için ortak olan buhar türbini
tarafindan tahrik edilen bir jeneratör ile donatmak
ve ikinci gaz türbininin kendi jeneratörünü tahrik
etmesini saglamaktir.
Kuskusuz ki bunun istisnalari vardir ve
ABB Almanya’da standard tek dizili ünitelerle
akuple iki gaz türbini ve iki buhar türbini olan
çesitli tesisler kurmustur.
Bu tesise ikiden fazla gaz türbini
kurulmasi gerektiginde, tek dizili konsept daha az
çekicilige sahip çözüm olmaktadir. Örnegin
Almanya’nin Rostock kentindeki KA10-3 kombine
çevrim tesisi üç adet standard GT10 gaz türbinli
jeneratör ünitesine sahip olup, ünitelerin her biri, üç
ünitenin tümünden buhar alan ve serbest destekli
bir buhar türbini ile birer kazana baglidir.
Uzun bir rotor dizisi genelde daha yüksek
rezonans hizlara sahiptir, ve kritik hizlara
çikilmamasi için bunun hesaba alinmasi gerekir. Bu
nedenle, her dizinin sorunsuz çalismasini saglamak
üzere rotor dinamiklerinin dikkatle hesaplanmasi
gereklidir. Bazi imalatçi firmalar bu uzmanlik
bilgilerini disaridan satin alir, fakat ABB STAL bu
isi kendisi üstlenmektedir. Sirket içinde mevcut
olan uzmanligin kullanilmasi, müsteri için her
zaman hizli ve uygun destek saglayabilir.
1970’li yillarda Finlandiya ve Isveç’te
nükleer tesislerin kurulmasi sirasinda ABB STAL
tarafindan kazanilmis bulunan deneyimler, 70 m’ye
varan uzunluklardaki rotor dizilerinin hesaplanmasi
için sirketi bir bilgi deposu haline getirmistir. Diger
önemli know-how (teknik bilgiler) ise, sirketin daha
önceki ve asagidaki belirtilen gemi buhar türbini
faaliyetlerinden kazanmis oldugu deneyimlerden
kaynaklanmaktadir: 500’ün üzerinde AP tip gemi
tahrik sistemi; episaykil disliler, uzun ve ince
saftalar ve büyük bir paralel disli vasitasi ile
pervane saftina akuple iki buhar türbini. Daha yakin
zamanlarda, VAX tipi buhar türbinlerinden de ilave
deneyimler elde edilmistir.
Yukarida belirtilen bu deneyimlere dayali
olarak, ayni zamanda rotor dinamiklerinin
hesaplanmasi için ABB Grubunun “Üretim
Merkezi” olan ABB STAL, rotor dizilerinin
hesaplanmasi
için
bilgisayar
yazilimlari
gelistirmistir. Bu teknolojinin baslica özelliklerini
sunlar olusturmaktadir: Ayni program modülü
içinde torsiyonel ve bükülme davranislarinin ve
keza iki fazli ve üç fazli kisa devrelerin rotor
sistemleri üzerindeki etkilerinin hesaplanabilmesi.
Tek dizili, bir kombine çevrim tesisindeki
rotor dizisinin belirli sayida ayri komponentler
içermesi hesaplama projesini bazi yönlerden daha
kolay hale getirir, fakat bu durumda hiza ayari daha
kritik bir hal alir. Tamamen önlenemyen bazi
kaymalarin giderilmesi için, örnegin türbin rotorlari
ile disliler arasinda olmak üzere bazi noktalarda
esnek kaplinler kullanilir. GT10’a ait titresim
izleme ekipmani basit akselometre tipinde olup
çalismasi son derece güvenlidir.
Dizinin düzgün çalismasi, çesitli rotor
kisimlarinin dikkatli bir sekilde balanse edilmesine
dayalidir. ABB bütün rotorlari kendi balanslama
tesisinde isletme hizlarinda olarak balanse
etmektedir. Bu amaçla, çukurlarin hemen hemen
mutlak vakuma kadar bosaltilmasi gerekmektedir.
Balansin is letme hizinda yapilmasi, çalismanin
düzgün olmasini saglar.
Rotor dizisinin tümü atölyede balanse
edilemeyeceginden isyerinde balanslama yapilma
imkaninin mevcut olmasi sarttir. GT10 ünitesi,
kolayca ulasilabilen balanslama düzlemleri ile
donatilmistir.
Buhar
türbinleri
gerektiginde
isletmenin kurulu oldugu yerde de balanse
edilebilir. Son yirmi yildir ABB, yalniz türbinlerde
Rotor Dinamiklerinin Hesaplanmasi
Tek dizili düzenlemenin bir sonucu, rotor
dizilerinin çok uzun olabilecegidir. Örnegin
GasEdon, Emmen için saglanan GT10 kombine
çevrim tesislerinde, gaz türbini standard dislisi ile
jeneratörü bir uçtan tahrik ederken, iki buhar
türbininden olusan bir tren jeneratörü diger uçtan
tahrik eder. Buhar türbinleri bir adet orta basinçli
ünite (MP10) ile bir adet düsük basinçli üniteden
(LP10) ibarettir. LP10 jeneratörü dogrudan tahrik
ederken, daha yüksek hizda çalisan MP10 bir disli
vasitasi ile LP10’un arkasina baglanmistir. Rotor
sistemlerinin uzunlugu 30m kadardir.
16
degil ayni zamanda motorlarda ve jeneratörlerde de
isyerinde balanslama sanatini çok gelistirmistir.
GT10 kombine çevrim tesislerindeki
yataklarin tümü hidrodinamik tiptedir, yani
türbinlerde egme yastiklari ve disli ile jeneratörde
bilezikler mevcuttur. Yag filmi tipindeki bu
yataklar kendinden sönümleme fonksiyonuna sahip
olup, düzgün bir isletme saglamakta ve kendilerine
yapilmasi gereken bakimi en alt düzeye
indirmektedir. Bunun aksine, aero-derivatif gaz
türbinlerinde sürtünmesiz tip-bilyali ve rulmanliyataklar kullanilmakta olup, düzgün çalisma
saglamak için bazen harici yag damperleri
takilmaktadir.
Referanslar
[1] B. Svensson: Çevre yönünden
saglikli, kombine çevrim ve kojenerasyon
tesisleri. ABB Review 5/93, 11-18.
Isletme Deneyimi
ABB STAL’in her tip tek dizili tesisteki
deneyimleri son derece iyidir.
ABB tarafindan Finlandiya ve Isveç
nükleer tesisleri için kurulmus bulunan çok uzun
türbin
dizilerinde
elde
edilen
deneyimler
mükemmel olup, rotorlarda güvenilirlikle ilgili
hiçbir sorunla karsilasilmamistir. Bu tesisler dünya
çapindaki
Nuclear
Engineering
(Nükleer
Mühendislik) tesisleri listesinde ön siralarda yer
almakta olup Finlandiya’daki tesisler en üstte
bulunmaktadir.
VAX tesislerinde uzun saft dizilerinde elde
edilen deneyimler de çok iyidir. Yalnizca küçük
sorunlarla karsilasilmistir. Örnegin bazi durumlarda
dislilerin onarilmasi gerekmistir. Ilk VAX tesisi
1984 yilinda isletmeye alinmis olup, halen VAX
serisinde 100’ün çok üzerinde ünite çalismaktadir
ve simdiye kadar toplam bes milyon isletme
saatinin üzerinde hizmet vermisleridir.
Tek dizili, kombine çevrim tesisleri kisa
bir süredir piyasada oldugundan, bunlarla ilgili
deneyimler de sinirli bulunmaktadir. ABB
günümüzde isletme halinde olan 30 dolaylarinda
tesis kurmustur ve bunlarin toplam isletme saatleri
yaklasik 300.000’e ulasmistir. Isveç’in Ängelholm
kentindeki tesis gibi önde gelen tesisler simdiye
kadar 25.000 isletme saatinin üzerine ulasmis
bulunmaktadir. Dolayisi ile, ABB’nin orta boy
kombine çevrim tesisleri endüstride çok iyi bir yer
elde etmistir.
Genel Görünüs
Tek dizili düzenleme kavrami gibi
yeniliklerin
basariyla
gelistirilmesi,
kombine
çevrim orta boy tesislerin ekonomik profilinin
iyilesmesine yardimci olmustur. Dünyanin güç
pazarlarinda yeni yasal düzenlemelerin devam
etmesi ile büyük firsatlar yaratildiginda, bu
tesislerin global güç kapasitesine giderek artan
oranda katkida bulunmasi beklenmektedir.
17
Download

Kojenerasyon Için, Kompakt, Orta Boy, Kombine Çevrim