5. TURBO GAZ GENLEŞTİRİCİ
5.3. Tasarım Temel Parametreleri
Genel bir sürekli akış sistemi için kütlenin korunumu yasası dikkate alınarak işlem yapılmıştır. Tek girişi ve tek çıkışı olan sürekli açık bir sistem için kütlesel debi, birim kesitten birim zamanda geçen akışkan hacmi, hacimsel debi olarak anılacaktır. Sürekli akışlı sürekli açık sistemlerde, kontrol hacmindeki toplam enerji sabittir. Böylece kontrol hacmindeki toplam enerji değişimi sıfır olur.Kontrol hacmine giren ısı, iş ve kütle ile kontrol hacminden çıkan ısı, iş ve kütle eşit olur.Sürekli akışlı sürekli açık sistemlerde, kontrol hacmindeki toplam enerji sabit veya enerji değişimi sıfır alınmıştır. Birim zamanda kontrol hacmine giren, ısı, iş ve kütle; Birim
zamanda kontrol hacminden çıkan, ısı, iş ve kütleye eşittir. Sürekli akışlı sürekli açık sistemde ısı, iş ve kütle ile aktarılan enerji için enerjinin korunumu denklemi ile dikkate alınmıştır. Giriş için iş etkisi niteliğinde bir etki olmayan sistem için: Giriş ve çıkış için hız ve kot farkı ihmal edilerek ve sistem ile çevresi arasında ısı geçişi olmadığı yani; adyabatik kabul edilerek işlem yapılmıştır. Birim kütle için iş ifadesi Türbin için düşünülürse 𝑊̇ç şeklindedir. Birimi (kj/s)’ dir. Bir akışkanın giriş ve çıkış arasındaki entalpi değişimi giriş ve çıkış halleri için özellik tablolarından veya mükemmel gaz kabulü ile hesaplanabilir. Isı eşanjörü ve kazanın verimi dikkate alınarak; kazandan sağlanması gereken enerji bulunabilir.
Ayrıca, izentropik hal değişimlerini bu makinelerde gerçekleşebilecek hal değişimlerinin üst sınırı kabul edilerek verim tanımlamaları yapmak olanaklıdır. İzentropik hal değişimleri için entropinin sabit kaldığı kabulü yapılmıştır. Türbinin izentropik verimi, türbinde yapılan gerçek işin, giriş hali ile çıkış basıncı arasında izentropik bir genişleme olması durumunda elde edilecek iş oranı diye tanımlanmıştır.
İzentropik verimin “1’’ değerine yaklaşması istenilen bir durumdur. Bu durumun gerçekleşmediği veya gerçekleşmeyeceğinin ön görüldüğü durumlarda Bölüm 5.4 de anlatılan Ön Isıtma sonrası gaz sıcaklığı değeri düşünülerek, ısı eşanjörü çıkışında yani turbo gaz genleştirici girişinden önce ön ısıtma maliyetinden daha yüksek bir fayda sağlanacağından bir miktar fazla ısıtma yapılarak izentropik verim göz ardı edilebilir.
Doğal gazın basıncının düşmesi sonucu, azalan sıcaklığı bazı istenmeyen durumlara yol açabilir. Joule-Tompson etkisi ile basınç düşümü sonucu sıcaklık düşer ve kristalleşmelere ve hidrat oluşumuna yol açabilir.
5.3.1. Yoğunluk
Doğal gazın yoğunluğu kaynağına göre değişiklik gösterebilmektedir. Spesifik örnekler üzerinde çalışılırken İlgili RMS A istasyonu scada sistemi üzerinden alınan değerler kullanılarak işlem yapılmıştır.
5.3.2. Hacimsel debi
Hacimsel debi değeri üzerinde inceleme yapılan İlgili RMS A istasyonu spesifik değerleri ile hesaplama yapılmıştır. Hacimsel debi, ilgili basınç düşürme ve ölçüm istasyonundan geçerek, dağıtım şebekesi içerisine ulaştırılan değerdir. Hesaplamalarda 2017 yılı içerisinde gerçekleşen değerler kullanılmıştır.
5.3.3. Giriş basıncı
Giriş basıncı değeri üzerinde inceleme yapılan ilgili RMS A istasyonu spesifik değerleri esas alınarak hesaplama yapılmıştır. İstasyonun giriş basıncı ulusal iletim şebekesinde, boru içinde kayıplara uğrar. Bu durum için kurulu kompresör istasyonları vardır. Kompresör istasyonları aracılığı ile basınçlandırma işlemi yapılır. Doğal gaz tekrar iletim şebekesine verilir ve şehir giriş istasyonlarına ulaşır.
5.3.4. Ön ısıtma öncesi giriş sıcaklığı
Doğal gazın basıncının düşmesi sonucu, azalan sıcaklığı bazı istenmeyen durumlara yol açabilir. Kompresör istasyonu çıkışından itibaren doğal gazın iletimi RMS A istasyonu istasyonunun ısı eşanjörüne kadar ve hatta sonrasında da genellikle ısı kayıpları ile gerçekleşir. Kompresör istasyonu çıkış sıcaklığı, RMS A istasyonu giriş sıcaklığından yüksek değerlerdir.
5.3.5. Olması gereken giriş sıcaklığı
Doğal gazın basıncının düşmesi sonucu, azalan sıcaklığı bazı istenmeyen durumlara yol açabilir. Joule-Tompson etkisi ile basınç düşümü sonucu sıcaklık düşer ve kristalleşmelere ve hidrat oluşumuna yol açabilir. Turbo gaz genleştiriciden önce sıcaklığın 1 MPa için 15˚C; yani 10 bar için, 15˚C olduğu kabulü ve eşanjör çıkışı basıncı ile türbin girişi basınç değerinin aynı olduğu kabulü ile denklem 5.21 kullanılarak hesap yapılmıştır. Bu kabul ile sistem içerisindeki basınç düşümü etkisi tam olarak kullanılmaya çalışılmış ve sıcaklık düşümü gereksinimlerinin tam olarak karşılanması için olması gereken giriş sıcaklığı değerleri hesaplanmıştır (Pozivil 2004).
5.3.6. Çiğlenme noktası ve etkisi
Çiğlenme noktası, tamamen gaz fazında bulunan hidrokarbon bileşiminin %100 oranından itibaren, sıvı faz oluşumunun ilk oluşmaya başladığı basınç ve sıcaklık değeridir. Çiğlenme noktası, doğal gazın içerisinde bulunan su ve hidrokarbon çiğlenme noktası olarak ayrı ayrı düşünülmelidir. Bu durum Ek-1 (ŞİD)’ de verilmiştir. Faturalandırmaya esas referans değerler ile 15oC Orta Basınç istasyon çıkış sıcaklığını, RMS A istasyonu istasyonunun çıkışında güvenli bölgede kalmak adına kabul edilmiştir.
5.3.7. Çıkış basıncı
RMS A istasyonu çıkış basıncı yerel dağıtım şirketinin tasarımında, projeksiyonlarında ve dağıtım hattı içerisindeki kullanıcı ihtiyaçlarına göre şekillenir. Orta basınç şebekesinin çok uzak mesafelere ulaşması gereken lisans sınırları içerisinde veya ihtiyaç duyulan nihayi tüketici
giriş basınç değerlerinin yüksek olması (Örneğin: İzmir ili TÜPRAŞ RMS A istasyonu çıkış basıncı: 40 bar) durumunda, ihtiyaç duyulan çıkış basıncına getirilir. Klasik dağıtım şebekesi orta basınç ihtiyacının olduğu durumlarda ise RMS A istasyonu çıkış basıncı 12-19 bara veya 19-25 bara aralığında yüksek değerlere set edilebilir.
5.3.8. Çıkış sıcaklığı
RMS A istasyonu çıkış sıcaklığı çıkış hattında ve orta basınç şebekesi boyunca tahribatlara sebep olabilir. Özellikle faturalandırmaya esas değer olan 15 ˚C altında düşürülmemeye çalışılır. Faturalandırmaya esas hesaplamaların yapıldığı, hattın korunması ve uzun ömürlülüğü için hesaplamalar 15˚C alınarak yapılmıştır. Bu durum elde edilebilecek birim işi azaltmaktadır.
5.3.9. Kütlesel debi
Kütlesel debi, turbo gaz genleştirici gücüne direkt etki eden ve türbin çarklarının dönmesini dişli kutusuna iletilen dönme etkisini sağlayan unsurlardandır. Denklem (5.3) kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır.
5.3.10. Birim kütle için iş değeri
Birim kütle için iş, entalpi değerine eşittir. Doğal gazın entalpi değerinin ön ısıtma etkisi ile yükselmesi ve basınç düşümü ile sıcaklığının düşmesi yaklaşımı ile denklem (5.12), (5.13), (5.14), (5.17) kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır.
5.3.11. Birim zamanda üretilebilecek güç değeri
Birim zamanda üretilebilecek güç, kütlesel debi ve giriş çıkış basınçları arasındaki fark ile ilgili olduğu gibi RMS A istasyonu istasyonunun yıllık çalışma ve durma senaryolarının da bir parametresidir. Duruş anında birim zamanda üretilebilecek güç değeri de sıfırlanır. Denklem (5.15), (5.16), (5.18) kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır.
5.3.12. Turbo gaz genleştirici için üretilebilecek güç değeri
Turbo gaz genleştirici için üretilebilecek güç, gaz genişleticinin içerisinden geçen gazın debisi, giriş ve çıkış basıncı arasındaki farktan faydalanılarak Dişli kutusuna ve oradan da Jeneratöre aktarılır. Bu güç aktarımı sırasında kayıplar kaçınılmazdır (IPIECA 2014).Denklem (5.22), (5.23) denklemleri kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır.
5.3.13. Ön ısıtma için gerekli doğalgaz
Ön ısıtma sistemin geneli düşünüldüğünde, Joule-Tompson Etkisi, hidrat oluşumunun önlenmesi ve Yasal mevzuat gereği kazan dairesinde hazırlanan ısıtma suyu ve ısı eşanjörleri aracılığı ile türbin girişinden önce doğal gaz ısıtılarak, çiğlenme etkilerinden korunmak amacı ile basınç düşümüne hazırlanır. Ön Isıtma işlemi sistemin ekonomik ömrü içinde olmazsa olmaz, en önemli unsurlardandır. Sistemde, doğal gazın ön ısıtması, istasyon içerisinden alınan doğal gaz ile yapılabilir. Bu işlem ile ilgili vorteks tüp gibi uygulamaları da bulunmaktadır. Denklem (5.22), (5.23), (5.24), (5.25) kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır.