GİRİŞ
G
ünümüzde, enerji ihtiyacının her geçen gün artması ve enerji kaynaklarının giderek azalması enerjiyi verimli şekilde kullanmayı gerektirir. Doğal gaz çevre dostu olarak bilinen ve yaygın olarak kullanılan önemli bir enerji kaynağıdır. Doğal gaz, tüketiciye boru hatları ile iletilir. Tüketici ile doğal gaz enerji kaynağı arasındaki mesafe çok uzunsa (>4000 km), boru hattı döşemek yerine, doğal gazı sıvılaştırarak temin etmek daha avantajlı olur[4]. Mesafe kısa olsa bile, ülkeler, doğal gaz arz kaynaklarını çeşitlendirmek ve güvenliği sağlamak amacıyla, LNG (Sıvılaştırılmış Doğal Gaz) ithalatı da yapmaktadırlar. Bu nedenle doğal gaz yaklaşık -160 C sıcaklığa soğutularak sıvılaştırılır. Hacmi ~1/600 oranında küçülen LNG, depolara konur ve tüketiciye yakın bir LNG alım terminaline gemilerle gönderilir. Burada LNG, tekrar gazlaştırılarak boru hattı ile tüketiciye sevk edilir.Türkiye'de halen iki adet LNG alım terminali mevcuttur. Bunlardan Marmara Ereğlisi LNG Alım Terminali 5.2 milyar Nm /yıl, İzmir Aliağa LNG Alım Terminali ise 4 milyar Nm /yıl kapasiteye sahiptir. Bir ton LNG üretmek için 850 kWh elektrik enerjisi tüketilirken, LNG'nin kriyojenik enerjisi kullanılırsa 240 kWh/t-LNG elektrik enerjisi üretilebilir [6]. LNG'yi tekrar sıvılaştırmak için ayrıca enerji tüketimi söz konusudur. Gazlaştırma için genelde, deniz suyu veya daldırılmış (submerged) buharlaştırıcı kullanılır. Deniz suyu ile buharlaştırmada ~8 kWh/t-LNG tüketirken, daldırılmış (submerged) buharlaştırmada ~200 kWh/t-LNG tüketilir [5]. Bunların dışında LNG'nin tüketim hattına gönderilirken, kullanım mesafesi ile orantılı olarak basınçlandırılması da gereklidir. Bu basınç değeri Marmara Ereğlisi LNG alım terminali için 82 bar'dır. LNG'nin tekrar gazlaştırılması esnasında LNG alım terminallerinde güç üretimi için açık Rankine çevrimi öngörülmüştür [2]. Bu yöntem direkt genleşme metodu olarak da o
3 3
LNG Alım Terminallerinde Direkt Genleşme
Metodu ile Enerji Geri Kazanımı
ÖZET
Sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) alım terminallerinde enerji geri kazanımı için kullanılabilecek yöntemlerden biri de direkt genleşme (açık Rankine) metodudur. Bu araştırma, Marmara Ereğlisi LNG Alım Terminali'nden temin edilen veriler kullanılarak gerçekleştirildi. Bu terminalde, açık Rankine çevrimi için optimum türbin giriş basıncı 150 bar olarak belirlendi. Söz konusu terminalde, kurulu sisteme, açık Rankine çevrimi uygulandığında 3.58 MW (~30 GWh/yıl) değerinde bir enerji tasarrufu sağlanabilecektir.
LNG alım terminali, güç üretimi, enerji geri kazanımı
Anahtar Kelimeler:
Öğr. Gör. S. Orkun DEMİRPOLAT
Yrd.Doç.Dr. H. Kürşad ERSOY
*
Selçuk Üniv., Kadınhanı Faik İçil MYO Kadınhanı/KONYA (demirpolat@selcuk.edu.tr)
Selçuk Üniv., Müh.Mim.Fak.Mak.Müh Böl. Kampüs KONYA (kersoy@selcuk.edu.tr)
ABSTRACT
Direct expansion process (open Rankine) method can be used for energy recovery purpose in liquefied natural gas (LNG) receiving terminals. This investigation is performed by using of data supplied from Marmara Ereglisi LNG Receiving Terminal. Optimum turbine inlet pressure of the terminal for open Rankine cycle is determined as 150 bar. It is concluded that the amount of the energy recovery can be achived around 3.58 MW (~30 GWh/year) with the proposed open Rankine cycle.
LNG receiving terminal, power generation, energy recovery
Keywords:
Energy
ecovery by the
irect
xpansion
ethod in LNG
eceiving
erminals
R
D
E
M
R
T
* İletişim yazarı
Geliş/Received : 19.06.2008 Kabul/Accepted : 07.07.2008
bilinir. Bu metotla LNG'nin gazlaştırılması esnasında tüketilen enerjinin büyük bölümü karşılanmış olacak ve enerjinin daha verimli kullanılması sağlanacaktır.
LNG alım terminallerinde enerji geri kazanımı için başlıca dört metot vardır. Bunlar; açık Rankine çevrimi, kapalı Rankine çevrimi, açık Rankine ve kapalı Rankine bileşik çevrimi, gaz türbini ve kapalı Rankine bileşik çevrimidir. Bunlardan
birincisi ve mevcut sisteme entegrasyonu en kolay olanı direkt genleşme metodu olarak da bilinen açık Rankine çevrimidir. Bu yöntemde LNG, tüketim hattı için gerekli basınç değerinin üzerinde bir basınca çıkarılır. Bunun için ilave bir sıvı pompasına ihtiyaç vardır. Yüksek basınçlı LNG gazlaştırıldıktan sonra bir türbinden geçirilerek güç üretilirken, basıncı, doğal gaz tüketim hattı basıncına kadar düşürülür. Sistemin; tesisat şeması Şekil 1'de, P-h diyagramı ise Şekil 2'de sunulmuştur. Depodan “1” durumunda alınarak birinci kademe sıvı pompası ile basıncı artırılan LNG, “2”, durumunda ikinci kademe sıvı pompasına girer. İkinci kademe sıvı pompasını “3”
LNG ALIM TERMİNALLERİ İÇİN DİREKT
GENLEŞME METODU
Şekil 1. LNG'nin Gazlaştırılması Esnasında Direkt Genleşme Metodu Uygulaması G DG
1
2
3
A B C D4
5
E6
F7
LNG DEPOSUP
2P
3P
1 BUHARLAŞTIRICI-1 BUHARLAŞTIRICI-2 TÜRBİN G: JenaratörP : Pompa DG : Doğal gaz
1
2
3
6
7
5
4
durumunda terk eden LNG'nin basıncı tüketim hattı doğal gaz basıncındadır. Klasik sistemde; A, B valfleri açık ve C, D ,E , F valfleri kapalı iken “3” durumundaki LNG önce birinci ısı değişicisinde gazlaştırılır (deniz suyu veya daldırılmış buharlaştırıcı ile) sonra tüketiciye ulaştırmak için dağıtım hattına “7” durumunda gönderilir. Enerji geri kazanımı için önerilen sistemde ise; A, B valfleri kapalı ve C, D, E, F valfleri açık tutulacaktır. Böylece, “3” durumundaki LNG önce 3 nolu sıvı pompasına girer ve basıncı “4” durumuna çıkarılır sonra birinci ısı değişicisine girerek “5” durumuna kadar gazlaştırılır. “5” durumundaki doğal gaz türbine girerek “6” durumuna genişler ve bu esnada güç üretilir. Türbinde genişleyen doğal gazın sıcaklığı da bir miktar düşer. Bu nedenle türbinden “6” durumunda çıkan doğal gaz ikinci ısı değişicisine girerek “7” durumuna kadar ısıtılır ve sıcaklığı tekrar yükseltilir.
Tesis; Kuzey Marmara kıyısında, TEKİRDAĞ ilinin M.Ereğlisi ilçesinde, ana doğal gaz boru hattına 23 km uzaklıkta yer almaktadır. BOTAŞ LNG Terminali 1994 yılında işletmeye alınmıştır. Terminalin iki ana fonksiyonu vardır: gelen LNG'yi boşaltmak ve depolamak, depolanan LNG'yi istenilen miktarlarda gazlaştırarak sevketmektir. Terminal, saatte max. 685.000 m gaz sevkiyatı yapacak şekilde dizayn edilmiş olup, yıllık sevkiyat kapasitesi 6 milyar m ’dür[3]. Tesisin dizayn akış diyagramına uygun olarak terminalden dağıtım hattına doğal gazın sevk basıncı 82 bar, sıcaklığı 0 C ve kütle debisi ise 160,28 kg/s'dir.
Şekil 1'de gösterilen açık Rankine çevrimi uygulamasında sıvı pompaları, türbin ve ısı değişicileri için enerji eşitlikleri ve ısıl verim denklemleri aşağıda verilmiştir.
Sıvı pompaları için gerekli güç:
W = m .(h -h ) (1)
Wp = m .(h -h ) (2)
Wp = m .(h -h ) (3)
Türbinden elde edilen güç:
W = m .(h -h ) (4)
Açık Rankine çevriminin net gücü:
W =W -Wp (5)
Sistemin net gücü
W = W -(W +W +W ) (6)
Isı değişicileri için gerekli güç:
Q =m .(h -h ) (7)
Q =m . (h -h ) (8)
Açık Rankine çevriminin ısıl verimi:
= W / Q (9)
Eşitliklerde; m (kg/s) LNG'nin kütle debisi ve h(kJ/kg) LNG'nin özgül entalpisidir.
Marmara Ereğlisi LNG Alım Terminali'nden temin edilen veriler kullanılarak araştırma gerçekleştirildi. Tesisteki LNG'nin hacimsel olarak %90,98'i metandır [3]. Bu nedenle sadece metanın (CH ) termodinamik özellikleri [1] nolu kaynaktan alınarak araştırma yapıldı. Çalışmada, direkt genleşme yönteminin uygulanmasında farklı türbin giriş basınçları için elde edilebilecek güç miktarları ve optimum türbin giriş basıncı değeri araştırıldı. Sistemdeki noktaların basınç ve sıcaklık değerleri Tablo 1'de verilmiştir. Açık Rankine çevriminin uygulanması ile çevrimden elde edilecek kg başına net işin (W ) türbin giriş basıncı ile değişimi Şekil 3'te sunulmuştur. Türbin giriş basıncı arttıkça türbinden elde edilen özgül iş artmakta ancak, 3 nolu sıvı pompasında LNG'yi bu basınca çıkarmak için gerekli özgül iş tüketimi de buna paralel olarak artmaktadır. Açık Rankine çevriminden elde edilecek kg başına net iş, türbin giriş basıncı 150 bar değerine gelinceye kadar artmakta ve 22.34 kJ/kg değerine ulaşmaktadır. Türbin giriş basıncı artırılmaya devam edilse bile net iş miktarı hemen hemen sabit kalmaktadır. Bu nedenle Şekil 3'ten de görüldüğü gibi, türbin giriş basıncı için optimum değer, 150 bar'dır.
Şekil 4'te türbin giriş basıncına bağlı olarak W ve W 'nin değişimi sunulmuştur. Açık Rankine çevrimi uygulanmadan önce sistemde W ve W enerjilerini tüketen iki adet sıvı pompası vardır. Tesisin 1. kademe pompası LNG'yi 10 bar basınca çıkarırken, 2. kademe pompası 10 bar'dan 85 bar basınca çıkarmaktadır. Açık Rankine çevriminden elde edilen 3 3 o p1 LNG 2 1 2 LNG 3 2 3 LNG 4 3 t LNG 5 6 net,AR. t 3 net t p3 p2 p1 1 LNG 5 4 2 LNG 7 6 AR netAR. 1 LNG 4 LNG netAR LNG net netAR p1 p2 h
ÖRNEK UYGULAMA: MARMARA
EREĞLİSİ LNG ALIM TERMİNALİ
ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA
Direkt Genleşme Metodu ile Güç Üretiminin TermodinamikAnalizi
Tablo 1. Türbin Giriş Basıncı 150 Bar İçin Tesisin Basınç ve Sıcaklık Değerleri
1 2s 2 3s 3 4s 4 5 6s 6 7
P ( bar ) 1,05 10 10 85 85 150 150 146 83 83 82
net işten (W ) bu pompalar için gerekli iş çıkartıldığında, sistemden elde edilen kg başına net iş (W ) bulunabilir. Şekil 5'te Marmara LNG alım terminalindeki sistemde pompa güçleri ve sisteme açık Rankine çevrimi uygulandığında net güç üretimi gösterilmiştir. Mevcut sistemde sıvı pompalarının tükettiği güç; (W +W ), 3,93 MW hesaplandı. Sisteme açık Rankine çevrimi uygulandığında çevrimin net güç üretimi ise
(W ) 3.58 MW olarak belirlendi. Böylece, açık Rankine çevriminde üretilen güç, mevcut sistemdeki sıvı pompalarının tükettiği gücün %91'ini karşılayabilir. Tesisteki pompalarda tüketilen enerjinin %91'i ise 2. Kademe sıvı pompasında tüketildiğinden 2. kademe sıvı pompaları için gerekli güç (3.55 MW), açık Rankine çevriminde üretilen güç (W =3.58 MW) ile sağlanabilir. netAR LNG net p1 p2 netAR netAR
Şekil 3. Açık Rankine Çevriminde Türbin Giriş Basıncı ile Pompa, Türbin ve Çevrim Net İşinin Değişimi
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275
Türbin giriş basıncı P, bar
W ,k j/ k g Wt Wp3 Wnet AR -40 -20 0 20 40 60 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275
Türbin giriş basıncı, bar
W
,k
J
/k
g
Wnet Wp1+Wp2 Wnet, A.R.
SONUÇLAR
KAYNAKÇA
1. Ashrae. 1993. Fundamentals Hand Book (SI),Atlanta, GA
2. Cotana, F., Pispola, G.
3. 4.
5. Kaneko, K., Ohtani, K. Tsujikawa, Y., Fujii, S.
6. Liu, H., You, L.
Marmara Ereğlisi LNG Alım Terminali'nden temin edilen veriler kullanılarak araştırma gerçekleştirildi. İncelemede direkt genleşme yönteminin uygulanmasında farklı türbin giriş basınçları için elde edilebilecek güç miktarları ve optimum türbin giriş basıncı değeri araştırıldı. Bulunan sonuçlar aşağıdaki gibi özetlenebilir:
1. Marmara Ereğlisi LNG Alım Terminali için açık Rankine çevrimi uygulandığında optimum türbin giriş basıncı 150 bar olarak belirlendi.
2. Türbin giriş basıncı 150 bar'dan daha yüksek olsa bile açık Rankine çevriminin net gücü (WnetAR), sabit kalmaktadır.
3. Türbin giriş basıncı 150 bar alınarak sisteme açık Rankine çevrimi uygulandığında, halen mevcut sistemdeki sıvı pompaları için gerekli gücün %91'i karşılanabilir.
4. Açık Rankine çevriminde üretilen güç, 2. kademe LNG pompası için gerekli güç değerindedir.
5. Marmara LNG alım terminalindeki sisteme, açık Rankine çevrimi uygulandığında 3.58 MW değerinde bir enerji tasarrufu sağlanabilir.
6. Tesisin yılda 350 gün çalıştığı düşünülürse, yıllık 29.8 GWh enerji üretebileceği söylenebilir.
2005. Recupero di Energia Mediante Espansione Diretta Dal Processo di Rigassificazione Del Gas Naturale Liquefatto, 5° Convegno Nazionale CIRIAF, Perugia, 8-9 Aprile.
http://www.botas.gov.tr ht
2004. Utilization of the Cryogenic Exergy of LNG by a Mirror Gar-Turbine. Applied Energy Vol:79.355-369.
1999. Characteristics and Applications of the Cold Heat Exergy of Liquefied Natural Gas. Energy Conversion & Management 40 1515-1525. tp://www.halliburton.com W p 1+ W p 2 Wp2 Wp1 W n et A R Wnet Wnet-Wp2 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 G ü ç, M W
