Gaz türbinli Kojenerasyon Çevrimlerinin Termodinamik ve Termoekonomik

Termoekonomik Optimizasyon Sonuç ve Önerileri

Termal sistemlerin termoekonomik optimizasyonunun çözüm tarzları literatürde hep belli bir güç için aranmış yani literaratürde “belli bir gücü sağlayacak termal sistemin optimum çalışma şartları ne olur?” sorusuna cevap aranmıştır. Halbuki sorunun “termal sistemin optimum değerlerini sağlayan çalışma şartları ne olur?” şeklinde sorulması gerekirdi. Çünki birinci soruya verilecek cevabın bizi götüreceği yer ile ikinci soruya verilecek cevabın bizi götüreceği yerler çok farklıdır. Birinci soruya cevap bize lokal optimumları verirken ikinci soruya cevap bize global optimumları verir. Global optimumlarla termal sistemin hangi güçlerde çalıştırılması gerektiği ortaya konmuş olmaktadır.

Burada her yönden incelenen örnek, hava ısıtmalı, yakıt hava ısıtmalı ve absorbsiyonlu soğutmalı çevrimlerin termodinamik optimizasyonunda daha önce CGAM probleminin optimizasyonunda uygulanmış olan yöntemlerden, Bejan ve diğ. (1996) açıkladığı termoekonomik optimizasyon yöntemi olan, sistem üzerinde değişken parametreler seçerek iterasyon ile değiştirilmiş non lineer simplex doğrudan arama metodu geliştirilerek CGAM çevrimi dışındaki diğer üç çevrime uygulanmıştır. Bu yöntem için özgül ısılar, hatalardan kaçınmak için sabit alınmamış, entalpiler ve entropilerle beraber sıcaklığa bağlı nonlineer denklemler şeklinde ele alınarak bu sistemlerin sıcaklığa bağlı matematik modelleri elde edilmiştir. Daha sonra bilgisayar ortamında simülasyonu için FORTRAN programlama dilinde hem ayrı ayrı sıralı modüller şeklinde hem de yüzlerce lineer ve nonlineer denklemlerle programlar yazılarak çalıştırılmıştır. Tüm çalışma şartları (değişik kompresör sıkıştırma oranları, kompresör giriş havası sıcaklıkları, kompresör giriş havası özgül nem oranları, kompresör giriş havası basınçları, hava fazlalık katsayıları ve enjekte edilen buhar debileri) için elde edilen sonuçlar performans eğrileri şeklinde elde edilmiştir.

CGAM probleminde optimizasyon problemi lokal optimumların (30 MW güç ve 14 kg/sbuhar debisi için) bulunması şeklinde çözülürken burada hem CGAM (hava ısıtmalı) çevrimi hem de diğer üç çevrimin lokal ve global optimumları bulunmuştur. Çevrimlerin lokal ve global optimumlarını sağlayan çalışma şartları ve değerleri hem birbirleriyle hem de performans eğrileri ile karşılaştırılmış ve uyumlu olduğu saptanmıştır.

Literatürde çevrimlerin belli bir güç için optimizasyonu yapılmakta bu da lokal optimumları vermektedir. Halbuki çevrimlerin çalışabilecekleri tüm çalışma şartları göz önüne alınarak optimumlar arandığında global optimumlar elde edilmektedir. Global optimumların bulunması tasarım aşaması için çok değerli veriler sağladığından temel tasarım aşamasının buna göre yapılması gerekmektedir. Literatürde global optimumların aranmamış olması ciddi bir eksikliktir. Ayrıca burada global maksimum verimin maksimum sıkıştırma oranlarında (hava ve yakıt hava ısıtmalı kojenerasyon çevrimleri için) olması gerekmediği daha düşük sıkıştırma oranlarında da (yanma odası sıcaklığı kısıtı yüzünden) elde edilebileceği gösterilmiştir. Rekuperatör kullanmanın verimi artırdığı ancak maliyetleri de artırdığı görülmüştür.

Termoekonomik optimizasyonda hem maliyet denklemleri hem de çok ayrıntılı bir hesaplama yöntemi olan ihtiyaç duyulan gelir metodu ile ayrı ayrı optimizasyonlar yapılarak lokal ve global optimumlarını sağlayan çalışma şartları ve değerleri bulunmuştur. Bunun için hem maliyet denklemleri, hem de sistemlerin ve cihazlarının her türlü ekonomik değerleri CEPCI endeksi ile güncellenmiştir. Lokal optimumların bulunmasında termoekonomik optimizasyon hem sabit güç ve sabit buhar debisi (30 MW güç ve 14 kg/s buhar debisi) için, hem de sabit güç (30 MW) için yapılmıştır.

Maliyet denklemleri yöntemi ve maliyetin cihaz gücüne göre hesaplandığı yöntem birbirinden çok farklı optimum maliyetler bulmaktadır. Özellikle değişik hava yakıt oranlarında maliyet denklemleri yanlış olduğu açık olan sonuçlar vermektedir. Bu yüzden dikkatli bir şekilde kullanılmaları gerekmektedir.

Bu çalışma sonucunda, çevrimlerin yapılan analizlerinde yakıt hava ısıtmalı kojenerasyon çevriminin en yüksek verimi sağladığı ve en düşük maliyetlerin örnek çevrimde elde edildiği bulunmuştur. Ancak işletme şartlarında elektrik üretim maliyeti

en düşük nasıl sağlanabilirse o yolla üretim yapılması en doğru yoldur. Buhar fazlasının olduğu durumlarda yanma odasına buhar püskürtme işlemi yapılması ya da buhar ihtiyacının az olduğu durumlarda kompresör giriş havasına su püskürtme ile evaporatif soğutma yapılması düşünülebilir. Bunlardan başka işletmede atık ısı fazlası olması durumlarında absorbsiyonlu soğutma yapılması ya da bu ısının sıcaklığı yeterli ise kompresör çıkış havasının veya yanma odasına gönderilen yakıtın ısıtılmasında kullanılması yoluyla değerlendirilmesi yoluna gidilebilir. Elektrik ısı oranları kojenerasyon çevrimlerinde önemli olup tasarımda global optimumların göz önüne alınarak istenen oranların sağlanmaya çalışılması en doğru analiz tarzı olacaktır.

Dört adet çevrimin termoekonomik optimizasyonu belli güç ve buhar debisi (30 MW ve 14 kg/s buhar) için, belli bir güç (30 MW) için ve güç ve debi kısıtlaması olmadan, cihaz satın alma maliyetinin maliyet denklemlerine göre ve maliyet gücüne göre olmak üzere altı değişik durum için hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Cihaz satın alma maliyetinin maliyet denklemlerine göre hesaplandığı durumda belli güç ve buhar debisi için hava yakıt ısıtmalı çevrim (0,09011$/kWh), belli bir güç için örnek çevrim (0,044$/kWh) ve güç ve debi kısıtlaması olmadan yine örnek çevrim (0,0432 $/kWh) optimum maliyetleri sağlamaktadır. Cihaz satın alma maliyetinin cihazın gücüne göre hesaplandığı durumda ise belli güç ve buhar debisi için hava ısıtmalı çevrim (0,12 $/kWh), belli bir güç için örnek çevrim (0,0986 $/kWh) ve güç ve debi kısıtlaması olmadan yine örnek çevrim için (0,0945$/kWh) optimum maliyet değerleri elde edilmiştir. Bununla birlikte bu dört farklı çevrimin tasarım farklarının ve eklenen her bir cihazın optimum değerler üzerine olan etkisi de incelenmiştir. Bu analizlerin sonucunda hava yakıt ısıtmalı çevrimin maksimum verimi ve örnek çevrimin minimum maliyeti sağladığı görülmüştür.

5.2. Sıfır Emisyonlu Gaz Türbinli Kojenerasyon Tesislerinin Optimizasyon