Kojenerasyon Santralin Çalışma Prensibi

Atmosferden alınan hava, bir filtre sisteminden geçirildikten sonra gaz türbinin kompresör kısmına girer ve burada sıkıştırılarak yanma odasına iletilir. Yanma odasına püskürtülerek verilen yakıt, sıkıştırılmış hava ile karışarak yanar.
Yanma sonucu oluşan 1000 – 1100 °C sıcaklığın üzerindeki yüksek basınçlı gaz, türbin kanatçıklarından geçerek türbini döndürür ve türbine bağlı jeneratrden elektrik enerjisi üretiretilir. Gaz türbininden çıkan 500 – 600 °C sıcaklığındaki atık gaz bir egzoz kanalıyla atık ısı kazanına iletilir. Egzoz gazı, atık ısı kazanına girerek soğur ve daha sonra kazan bacasından atmosfere atılır.
Atık ısı kazanında, genel olarak üç ayrı ısı eşenjör bölümü bulunur. Rankine çevriminde, su ilk önce ekonomizer 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 buhar türbinine verilir. Bu olay, tek basınç kadameli bir kazan-buhar türbini grubu için verilen bir Rankine çevrimidir. Ancak kazan-buhar türbini gruplarının tekrar kızdırmalı veya tekrar kızdırmasız, iki yada üç basınç kademesi için kazan içinde ayrı ayrı yer alır. Bu basınç kademelerine bağlı olarak Rankine çevrimi de kendi içindi ayrı ayrı çevrimler oluşturur. Atık ısı kazanında üretilerek buhar türbinine verilen buhar, türbin kademelerinde genleşir. Böylece, ısıl enerji mekanik enerjiye dönüştürülmüş olur. Türbinin tahrik edilmesiyle de türbine bağlı jeneratörden elektrik enerjisi üretilir.
Buhar türbininden çıkan düşük basınç ve sıcaklıktaki buhar kondensere gelir ve brada soğutma sistemi vasıtasıyla yoğuşturularak, su haline dönüştürülür. Daha sonra, kandensat pompaları ile içlerindeki yoğuşmamış gazın alınması için besleme suyu tankına gönderilir. Su, besleme suyu tankından besleme suyu pompaları ile tekrar atık ısı kazanına gönderilir. Bu şekilde, Rankine kapalı çevrimi kazan, buhar türbini ve kondenser arasında sirküle eder.

Şekil 3

Konbine çevriminin en büyük avantajı, fosil yakıtlı santraller içinde en yüksek verime sahip olmasıdır. Günümüzde, 20 MW üstünde güçlere sahip gaz türbinine dayalı tekrar kızdırmalı ve üç basınç kademeli konbine çevrimlerde %55 civarında verime ulasılmıştır. Verim artışı bir yandan CO2 emisyonunu daha da azaltmak bir yandan da yakıt tüketiminde büyük tasarruf sağlamaktadır.

Kojenerasyon Uygulama Avantajları

• Elektrik üretirken aynı zamanda ihtiyaca bağlı sıcak su, buhar, sıcak gaz, kızgın yağ veya soğuk su üretme imkanı.
• Geniş ürün yelpazesiyle konutsal, ticari ve endüstriyel alandaki enerji tüketicilerine cevap verebilme.
• Doğalgaz başta olmak üzere propan, mazot, çöp gazı, biyogaz vb. yakıtlarla çalışarak kesintisiz, kaliteli ve yüksek verimde enerji üretimi.
• Kompresör yatırımı yapmaksızın düşük basınçlı gaz yakıtlarla çalışabilme.
• Benzersiz tasarım ve düşük gürültü seviyesi ile konutsal ve ticari alanda uygulanabilme kolaylığı.
• Elektrik şebekesine paralel, şebekeden bağımsız ya da yedek güç olarak çalışabilme.
• Düşük egzoz gazı emisyonları ve yüksek yanma verimiyle çevreyle dost.
• Düşük işletme maliyeti ve sürekli güvenilir çalışma özelliği ile kısa sürede kendini geri ödeyen kârlı bir yatırım.Bileşik Isı-Güç Üretimi için Kullanılan SistemlerBileşik ısı-güç üretimi için kullanılan ısı makinaları şunlardır:
  1. Buhar türbinleri
  2. Gaz türbinleri
  3. Pistonlu motorlar
  1. Buhar Türbinli Kojenerasyon SistemleriBuhar türbinli santrallar kuruluşun ısı isteminin, elektrik isteminden fazla olduğu durumlarda tercih edilmelidir. Şekil 4’de karşı basınçlı türbin uygulaması, Şekil 5’te ise ara buhar almalı türbin uygulaması gösterilmiştir. Şekillerde görüldüğü gibi bir kazanda üretilen buhar, türbinde genişleyerek iş (elektrik) üretir. Türbin çıkış basıncı proses için gerekli sıcaklığa karşı gelen doyma basıncıdır. Bu basınçta yoğuşan su buharı proses ısısını sağlar. Karşı basınçlı türbin, ısı ve elektrik istemlerinin zamanla ve birbirlerine oranla değişmediği durumlarda, ara buhar almalı türbin ise ısı gereksiniminin elektriğe göre değişken olduğu durumlarda seçilir. Belirli bir santral için üretilen elektrik ve ısı ile tüketilen enerji miktarları, çevrimin termodinamiğin birinci yasasına göre çözümlemesini yaparak elde edilebilir.
  Diğer güç kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, buhar türbinleri kullanmanın en önemli avantajı her zaman kullanılan yakıtlar kadar kömür, doğal gaz, benzin ve biomass gibi alternatif yakıtlarında bulunduğu bir çok seçenek sunmasıdır. Isı arzının optimize edilmesi için çevrimin güç üretim verimliliğinden fedakârlıkta bulunabilir. Ters basınçlı kojenerasyon santrallarında, büyük soğutma kulelerine ihtiyaç yoktur. Buhar türbinleri çoğunlukla elektrik talebinin 1 MW ile birkaç 100 MW arasında olduğu tesislerde kullanılır. Sistemin ataletine bağlı olmakla birlikte, kesintili enerji talebinin olduğu tesisler için uygun değillerdir.
  
  
  

  Şekil. 4: Karşı basınçlı buhar turbineli bileşik ısı-güç santrali
  
  

  
  

  Şekil. 5: Ana buhar almalı türbinli bileşik ısı-güç santrali
  
  2. Gaz Türbinliİ Kojenerasyon Türbini
  Gaz türbinli bir bileşik ısı-güç santralı Şekil 6’te gösterilmiştir. Görüldüğü gibi gaz türbininden çıkan sıcak gazlar bir atık ısı kazanında sıcak su veya buhar üreterek proses ısısını sağlamaktadır. Gaz türbinlerinin boyutları küçük, güç/ağırlık oranları yüksektir. Çabuk devreye girer ve bakımları kolaydır. Gaz türbinlerinde doğal gazın yanı sıra, LPG, nafta ve sıvı yakıtlar da yakılabilmektedir. Sıvı yakıtlar yakıldığında, yakıtın sodyum ve vanadyum tuzlarından arındırılması gerekir.
  Gaz türbinleri kojenerasyon uygulamaları için yaygın olarak 5 – 30 MW güç aralığında kullanım bulmaktadır. Gaz türbinlerinde egzos gaz sıcaklıkları 430 oC ile 530 oC arasında olup, buhar üretimi için elverişlidir. Buna karşılık gaz motorları da daha küçük güçlerde, yurdumuzda da özellikle 1 MW seviyelerinde uygulanmaktadır. Ancak gaz motor kojenerasyon uygulamalarını bu boyutta sınırlamak doğru değildir. Seviyelerine ulaşılması avrupa'da yaygın uygulamalardır.
  
  

  Şekil. 6: Gaz türbinli bileşik ısı güç santrali
  Gaz türbinli kojenerasyon sistemleri, son yıllarda doğal gazın büyük çapta kullanılabilir olması, teknolojideki hızlı gelişme, tesis kurma maliyetinin önemli derecede azalması ve daha fazla çevre dostu formun da çalışmaya bağlı olarak büyük bir gelişme kaydetmiştir. Ayrıca, bir projenin geliştirilmesi için geçen süre daha aza inmiş ve donanımda modüler yolla gnderilebilir hale gelmiştir. Gaz türbinin çalışmaya başlangıç süresi kısadır ve kesintili işletme için esneklik sağlar. Düşük bir ısı değeri kazanım verimine sahip olmasına rağmen, daha yüksek derecelerde daha fazla ısı elde edilebilmektedir. Isı çıkışı kullanıcının ihtiyacından fazla ise, ek yakıtı oksijen yönünden zengin egzost gazıyla karıştırarak temel çıkışı daha verimli hale getirecek ek doğal gaz yapmak mümkündür.
  Diğer bir yaygın kullanım alanı da egzos gazının hava ile karıştırılarak direkt kurutma aplikasyonlarında kullanılmasıdır. Bu işlemler sayesinde toplam çevrim verimi % 80 seviyelerini yakalayabilmektedir.
  
  

  Şekil. 7: Gaz türbinli su borulu kazan kojenerasyon sistemi
  
  3. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemleri
  Diesel (gaz) motorlu bir bileşik ısı-güç santralı Şekil 7’te gösterilmiştir. Proses ısısı için motorun egzos gazlarından ve soğutma suyundan yararlanılabilir. Gaz motorlu sistemlerin kapasiteleri genelde 1 ile 10 MW elektrik gücü arasındadır. Isıl verimlerinin yüksek olmaları, değişik yakıtlarla çalışabilmeleri Diesel veya gaz motorlarının kullanımını yaygınlaştırmıştır.
  
  

  Şekil. 8: Diesel motorlu bileşik ısı-güç çevrimi
  
  İçten yanmalı motorlar olarak bilinen bu kojenerasyon sistemleri, diğer güç kaynaklarıyla karşılaştırıldıklarında güç üretiminde daha verimlidirler. Isı geri kazanımı için iki ısı kaynağı vardır; yüksek sıcaklıktaki egzost gazı ve düşük sıcaklıktaki motor ceket soğutma suyu sistemi. Isı geri kazanımı daha küçük sistemler için oldukça verimli olabildiğinden, bu sistemler nispeten küçük enerji tüketim tesisleri, özellikle de elektrik ihtiyacı termal enerjiden daha fazla olan ve yüksek ısı kalitesinin gerekmediği yerlerde (örneğin düşük basınçlı buhar veya sıcak su) daha çok kullanılırlar.
  Gaz motorlarında atık ısının yaklaşık 1/3 oranı egzos gazından 2/3 de motorun soğutma sistemlerinden geri kazanılmaktadır. Şekil 9` da görüleceği üzere soğutma devreleri; silindir-gömlek soğutması, karterdeki yağın soğutulması ve turbocharger soğutmasından oluşmaktadır. Buna egzos eşanjöründen elde edilen ısı eklenmektedir.
  
  

  Şekil. 9: Gaz motoru
  
  Motor kojenerasyon sistemlerinin bu soğutma gerekliliği özellikleriyle geri kazanılan ısı en verimli şekilde sıcak su olarak kullanılabilmektedir. Böyle bir sistemde toplam sistem verimi % 90 seviyesini geçebilmektedir.
  Bu makineler kesintili çalışma için idealdir ve performansları çevre ısısındaki değişikliklere karşı gaz türbinleri kadar hassas değildir. Bu makinelerde yatırım düşük fakat, işletme ve bakım maliyetleri fazla aşınma nedeniyle yüksektir.
  
  Resim 1 ve 2` de gördüğünüz üniteler kendi başlarına sadece elektrik üretebilecek durumdadırlar. Bu üniteleri kojenerasyon sistemi haline getirmek için dışarı atılan ısının kullanılır ısı haline dönüştürülmesi gerekmektedir. Gaz türbininde bu ısı egzos gazı ısısı şeklinde olup, bir atık ısı kazanı marifetiyle bu ısı proses ihtiyacına göre buhar, sıcak su, kızgın su ya da kızgın yağ üretmek için kullanılabilmektedir.
  
  

  Resim 1: Gaz türbini ünitesi
  
  

  
  

  Resim 2: Gaz motoru ünitesi
  
  Gaz türbininin göreceli olarak ucuz olması, çabuk devreye girmesi ve ek yakma (auxiliary firing) ile ısı üretiminin artırılabilmesi, bu santralların giderek yaygınlaşmasına neden olmuştur. Diesel motoru, küçük çaplı uygulamalar, birleşik gaz buhar türbini (kombine çevrim) ise büyük çaplı uygulamalar için düşünülmelidir.
  
  Çizelge 1. Değişik bileşik ısı güç sistemlerinin özellikleri ( pb = para birimi = 1 $)