Doğal Gaz Kombine Çevrim Enerji Santralleri

Günümüzde enerji sorunu dünyanın ihtiyaç duyduğu ve çözüme kavuşturulması gereken en önemli konulardan birisidir. Doğal gaz kombine çevrim enerji santrallerinin de verim, yüksek güç, işletme kolaylığı gibi avantajlara sahip olmasından dolayı bu tip enerji santrallerinin kurulumu yatırımcıları cazip gelerek son yıllarda elektrik üretim tesisleri arasında...

20659 0

Günümüzde enerji sorunu dünyanın ihtiyaç duyduğu ve çözüme kavuşturulması gereken en önemli konulardan birisidir. Doğal gaz kombine çevrim enerji santrallerinin de verim, yüksek güç, işletme kolaylığı gibi avantajlara sahip olmasından dolayı bu tip enerji santrallerinin kurulumu yatırımcıları cazip gelerek son yıllarda elektrik üretim tesisleri arasında büyük pay sahibi olmasına sebep olmuştur. Basit çevrim bir enerji santralinde verim %35-%40 arasında bir değere sahipken kombine çevrim santrallerde verim günümüz teknolojisiyle %60 mertebelerine erişmiştir. Bu tip santraller sadece gaz türbinlerinden değil, gaz türbinlerinin egzozundan dışarı atılan atık ısıdan da yararlanarak elektrik elde etmeyi amaçlamıştır. Bu yazıda genel olarak kombine çevrim bir doğal gaz santralinde bulunan mekanik ve elektrik ekipmanları üzerinde durularak sistemin çalışma filozofisine genel bir bakış sunulacaktır.

I. MEKANİK EKİPMANLAR

A. Gaz Türbinleri

Gaz türbinleri Doğal Gaz Kombine Çevrim enerji santrallerinde generatörün tahrik mekanizması olarak kullanılırlar. Diğer termal tipte santraller ile kıyaslandığında daha az yer kaplarlar. İlk kurulum maliyetleri düşük olmakla birlikte teslim süreleri ve devreye alma süreleri de kısadır.
Günümüzde çeşitli yakıtlar ile çalışabilen gaz türbinleri mevcuttur. Ayrıca NOx emisyon kontrol teknikleri uygulanarak çevresel yaptırımlara uyulması gaz türbinleri açısından önem teşkil etmektedir.

foto1
Şekil 1. Gaz Türbini
Gaz türbinleri genel olarak kompresör, yanma odası ve türbin olarak adlandırılan üç ana kısımdan oluşur.

Kompresör: Günümüzde sağladığı avantajlardan dolayı santrifüj kompresörler tercih edilmektedir. Santrifüj kompresörler, havaya yüksek hız kazandıran dönen bir çarkı içerisinde bulunduran sabit bir muhafazayla, havayı yavaşlatarak basıncını artıran, belirli sayıdaki genişleyen pasajlardan oluşmaktadır.

foto2
Şekil 2. Gaz Türbini Kompresör Kısmı

Yanma Odası: Gaz türbinlerinin yanma odaları, kompresör tarafından sağlanan bol miktarda hava ile yakıt sprey nozullarından püskürtülen yakıtı karıştırarak yakılan bölümlerdir.

foto3
Şekil 3. Gaz Türbini Yanma Odası

Türbin:Gaz türbinlerinde verimliliklerinden dolayı genellikle aksiyal türbin kullanılmaktadır. Aksiyal türbinlerde yüksek sıcaklık ve basınçtan ortaya çıkan enerji yüksek hızlarda türbin kanatlarına çarparak hareket enerjisine dönüştürülür.

foto4
Şekil 4. Aksiyal Türbin

B. Atık Isı Kazanları

Gaz türbinlerinin egzoz çıkışlarına bağlanırlar. Atık ısı kazanları egzoz gazındaki enerjiyi kullanarak pompalar yardımıyla bünyelerine gönderilen basınçlı suyu basınçlı buhara çevirirler. Kombine çevrim santrallerde buhar türbinine buhar sağlamak amacıyla, kojenerasyon tesislerinde prosesin ihtiyacı olan buharı karşılamak amacıyla kullanılırlar. Yapısı, basınç Seviyeleri ve buhar elde etme şekli itibariyle birçok çeşitleri bulunmaktadır.

foto5
Şekil 5. Atık Isı Kazanı

Atık ısı kazanları genel olarak üç ana kısımdan meydana gelmektedir.

Ekonomizör:Kazana gönderilen basınçlı besi suyunun ilk uğradığı bölümdür. Bu bölüm aynı zamanda gaz türbin egzozuna en uzak kısımda yer almaktadır. Kazanın en soğuk kısmıdır. Besi suyunun ısıtılması için kullanılır.
Evaporatör: Ekonomizörden gelen suyun su ve buhar olarak ayrıştığı bölümdür. Aynı zamanda suyun her iki fazda da bulunduğu kısma drum adı verilir.
Kızdırıcı:Buharın sıcaklığını arttırarak kızdırdığımız bölümdür. Gaz türbini egzozuna en yakın ve en sıcak olan kısımdır.

C.Buhar Türbini

Kazanda elde edilen yüksek basınç ve yüksek sıcaklığa (yüksek entalpi) sahip buhar, buhar türbini vasıtasıyla kinetik enerjiye ve kinetik enerjiden de mekanik (hareket enerjisi) enerjiye dönüştürülerek buhar türbinine akuple olan generatörü tahrik eder. Türbin kanatlarına çarparak enerjisini kaybeden buhar kondenser adı verilen bir bölümde toplanır. Daha sonra kondens halde bulunan buhar tamamen yoğuşturularak su haline getirilir ve çevrime geri kazandırılır.

foto6
Şekil 6. Buhar türbini ve Kondenser

foto7
Şekil 7. Üç LP ve bir HP basınç kademesine sahip buhar türbini

C.Soğutma Kulesi & Hava Soğutmalı Kondenser

Soğutma kuleleri veya hava soğutmalı kondenserler, su-buhar karışımını tekrar su haline getirerek sisteme kazandırmak için kurulan ekipmanlardır. Soğutma kuleleri doğal çekişli ve fanlı tip olarak iki şekilde mevcuttur. Fakat bu sistemler için ana sistemin kapalı çevrim suyundan harici olarak açık bir soğutma suyu çevrimi daha gerekmektedir. Hava soğutmalı kondenserlerde ise sistemin suyu direkt olarak fanlar vasıtasıyla soğutulduğundan harici bir buhar türbini kondenserine ve açık çevrim soğutma suyuna ihtiyaç olmamaktadır.

foto8
Şekil 8. Soğutma Kulesi

foto9
Şekil 9. Hava Soğutmalı Kondenser

D.Mekanik Sistemi Oluşturan Diğer Ekipmanlar

Bir kombine çevrim doğalgaz santralinde yukarıda listelediğimiz ekipmanların dışında birçok yardımcı ekipman yer almaktadır. Bu ekipmanlardan bazıları pompalar, vanalar, borular ve boru bağlantı parçalarıdır.

Pompalar:Prosesin birçok aşamasında, çevrimde kullanılan herhangi bir sıvının (su, yağ, kimyasal madde vb…) basınçlandırılarak ilgili yere gönderilmesi işlevini görürler. Özellikle kazana su basan besi suyu pompaları ve kondenserdeki buharı soğutmak için soğutma kulesinden kondensere su basan soğutma pompaları kombine çevrimdeki göze çarpan en büyük güçlü pompalardır.

foto10
Şekil 10. Besi Suyu Pompası

Vanalar: Prosesteki akışı tamamen kesmek veya belirli bir yüzde oranında açıp kapamak için kullanılan mekanik ekipmanlardır. Hidrolik, havalı, motorlu tipte birçok çeşitleri mevcuttur.

foto11
Şekil 11. Buhar türbinine ait acil durdurma vanası

Borulama: Yukarıda anlatılan mekanik ekipmanların proses çevrimi açısından anlam kazanmasına sebep olan, kombine çevrim doğal gaz santrallerinin en önemli işlerinden birisidir. Akışkanın içinden geçtiği yolu oluştururlar. Özellikle kazana ve buhar türbinine giden hatlarda basınç kayıpları ve stres analizi hesaplarıyla daha yüksek verim elde edilmeye çalışılır.

foto12
Şekil 12. Kombine çevrim bir doğal gaz santralinde buhar boruları

E. Genel Proses Akışı

Kombine çevrim doğal gaz santrallerinde su-buhar çevrimi ideal bir Rankine Çevrimine benzetilir.

foto13
Şekil 13. Rankine Çevrimi

Prosese gaz türbinini de dahil ederek, su-buhar çevriminin kombine çevrim bir doğal gaz santralinde nasıl olduğunu kısaca özetlemeye çalışırsak;

Basit Çevrim Tarafı: Gaz türbini giriş havası ortam koşullarına göre belirli derecede soğutularak kompresör tarafından sıkıştırılır. Yanma odasında yakıt ile birlikte yakılan sıkışmış hava genişleyerek türbin kanatlarına çarpar ve gaz türbini generatörü için gerekli döndürme momenti elde edilir.

Kombine Çevrim Tarafı:Türbin tarafında genleşerek atmosfere atılacak olan yüksek sıcaklıktaki egzoz gazı atmosfere verilmeyerek içinden borular yardımıyla su geçirilen kazana doğru yönlendirilir.
Besi suyu pompaları yardımıyla basınçlandırılan su kazana gönderilir. Kazanda gerekli evrelerden geçen su, kızgın buhar haline getirilerek buhar türbinine doğru vanalar yardımıyla debisi ayarlanarak gönderilir. Buhar türbini kanatlarına çarparak döndürme momenti yaratır ve buhar türbini generatörünü tahrik eder. Daha sonra enerjisini yitiren kızgın buhar kondens halini alır ve kondenserde toplanır.

Kondenser bir tür eşanjör olarak hayal edilebilir. Soğutma kulesinden pompalar yardımıyla kondensere soğuk su basılır. Basılan soğuk su kondensin ısısını alarak soğutma kulesine geri döner. Isı veren kondens buhar yoğuşarak su haline gelir ve besi suyu pompaları yardımıyla tekrar kazana gönderilmeye hazır konuma gelir.
Bu çevrim süresince sistemde eksilen su miktarı takviye su pompaları yardımıyla sisteme eklenir. Ayrıca kazan ve soğutma kulesi suyu kimyasal açıdan belirli değerlerde olması gerektiğinden bir dizi kimyasal dozajlama işlemi de çevrim süresince uygulanmaktadır.

foto14
Şekil 14. Genel Proses Akış Şeması

II. ENSTRÜMANTASYON VE KONTROL

Prosesin doğru ve belirli şartlar altında kontrollü olarak çalışması, gerekli değerlerin tek bir merkezden takibi ve prosese anlık olarak müdahale edebilmek için gerekli kontrol sistemleri santrallerde kurulmaktadır.
Genellikle DCS (Distributed Control System) olarak adlandırılan kontrol sistemi kullanılarak sahadan gerekli veriler alınmakta ve işlenerek gerekli kontrol yapılmaktadır. Sahadan okunan değerler; sıcaklık, basınç, debi, iletkenlik gibi analog değerlerin dışında dijital olarak alınan bilgileri de içermektedir.
Örnek olarak; bir akış ölçer yardımıyla ilgili boru hattında akış olması gereken değerden az ölçülüyorsa, hat üzerinde bulunan vanaya gerekli sinyal (4-20 mA) gönderilerek debinin istenilen oranda tutulması sağlanır.

foto15
Şekil 15. Sıcaklık ve Akış Transmitterleri

Prosesin ihtiyacına göre gerekli şekilde ve sayıda CPU (central processig unit), RIO (remote input output) panoları, kontrol bilgisayarları, haberleşme sistemleri tasarlanarak sisteme ait bir kontrol mimarisi oluşturulur.

foto16
Şekil 16. DCS Kontrol Mimarisi

II. ELEKTRİK EKİPMANLARI

Elektrik sistemine ait ekipmanlar ve genel elektrik filozofisi aşağıda sırasıyla açıklanmaktadır;

A. Gaz Türbini ve Buhar Türbini Generatörleri

Kombine çevrim enerji santrallerinde kullanılan generatörler yüksek devirde (3000 rpm) tahrik edildiklerinden dolayı yapıları itibariyle yuvarlak kutuplu senkron generatörlerdir.

foto17
Şekil 17. 263 MW bir Buhar Türbin Generatörü

Gaz ve Buhar türbini generatörleri genellikle orta gerilim seviyelerinde üretilirler(11 kV , 20 kV vb…) .2MW’dan 300MW’a kadar geniş bir aralıkta tasarlanmaktadırlar. Günümüzde genellikle hava soğutmalı tip generatörler kullanılmasına karşın hidrojen soğutmalı generatörler de bulunmaktadır. Kombine çevrim santrallerde senkron generatörler genellikle şebeke ile paralel çalıştırılır. Senkron şartlarının sağlanması kombine çevrim santraller için önem teşkil etmektedir. Tahrik sisteminin ve uyartım ekipmanlarının kontrolü ile istenilen ve güvenilir çalışma koşulları sağlanır.

foto18
Şekil 18. Generatör çalışma için daire diagramı

B. Yükseltici Güç Transformatörleri (Step-Up Transformer)

Generatörlerin çıkışına bağlanan yükseltici transformatörler, generatör tarafında üretilen elektrik enerjisinin gerilim sınıfını değiştirerek şebekeye aktarılması için kullanılır.

foto19
Şekil 19. Yükseltici Tip Generatör Transformatörü

Yükseltici tip transformatörler kombine çevrim enerji santrallerinde ilgili generatörlerin gücüne göre seçilir. Bağlantı sınıfı, yüzde kısa devre gerilimi, kademe değiştirici tipi, sargı sıcaklık artışı, sargı izolasyon gerilim dayanımı ve daha birçok faktör bu tip transformatörlerin seçiminde önemli birer kriterdir.
Genellikle yağlı tipte olan bu transformatörler üzerinden kontrol sistemine yağ seviyesi, yağ sıcaklığı, sargı sıcaklığı gibi bilgiler alınarak emniyetli çalışma koşulları takip altında tutulur. Patlamaya karşı yangın duvarları ve yağ drenajı için gerekli çalışmalar yapılır. Yüksek güçlerde generatör çıkışından transformatöre olan bağlantı, kabloların çok yüksek akım taşıma kapasitesine sahip olamamasından dolayı bus-duct olarak adlandırılan dışı izoleli bakır baralar ile yapılır.

foto20
Şekil 20. Bus-duct bağlantısı

C. Şalt Tesisi

Yükseltici trafonun çıkışından sonra üretilen elektriğin şebekeye ait iletim hatlarına uygun koşullar altında bağlanabilmesi için kombine çevrim santralleri için bir şalt sahası tesis edilmektedir. Tesiste yer alması gereken giriş ve çıkış fiderleri göz önünde bulundurularak gerekli tasarım yapılır. Şalt sahası yüksek gerilim ekipmanlarını içerdiğinden dolayı özel tasarım esasları ve yönetmelikler uygulanmaktadır.

foto21
Şekil 21. 400 kV şalt tesisi

C. AG & OG Panolar

Alçak gerilim ve orta gerilim panoları AG ve OG sistemlerin temelini oluşturan ekipmanlardandır. Açma, kapama, arıza giderme gibi koşullar için gerekli manevralara imkân sağlarlar. Yüklerin beslenmesi için ilgili çıkışları bünyelerinde barındırırlar. Çıkış sayıları, gerilim seviyeleri, kısa devre akım dayanımları, toplam giriş gücü değerleri tasarımlarındaki önemli parametrelerinden birkaç tanesidir.

Günümüzde ag ve og pano üreticileri işletmeye yönelik birçok kolaylığı sistemlerinde kullanmaktadırlar. Özellikle alçak gerilimde çekmeceli tipte panolar bu açıdan en önemli tercih sebebidir.
Orta gerilim panoalrı ise genellikle vakumlu veya SF6 gazlı tipte kullanılmaktadır. Orta gerilim konfigürasyonu genel elektrik sisteminin tasarımı açısından önemli bir kriterdir. Gerekli çalışmalar (kısa devre analizi, yük akış analizi vb…) yapıldıktan sonra uygun konfigürasyon ortaya çıkarılmaktadır.

foto22
Şekil 22. Montaj aşamasındaki AG panolar

C. Motorlar ve Sürücüler

Proseste birçok mekanik ekipmanı tahrik etmek için elektrik motorları kullanılmaktadır. Bunlara örnek olarak pompalar,vanalar, fanlar gibi ekipmanlar gösterilebilir. Sistemin gereksinimini karşılayacak olan mekanik mil gücü belirlendikten sonra bu güce göre uygun elektrik motoru gücü seçilir. Yaklaşık 200kW ve üzeri motorlar için OG tipte motor seçilmesi sistemin emniyeti ve geçici rejimlerin belirli sınırlar içinde tutulması açısından önemlidir.
Yine prosesin ihtiyaçlarını karşılamak üzere motorların kalkış anında ve normal işletme koşullarında nasıl davranması gerektiği saptanır ve buna uygun olarak gerekli ise statik konvertörler veya kaplinler kullanılarak motorlar tahrik edilir.

foto23
Şekil 23. Besi suyu pompasına ait bir OG motorun moment devir ilişkisi

Motor ehemniyet derecesine göre gerekli enstrümanlarla donatılarak het türlü riske karşı korumaya alınır.Büyük güçlü motorlarda yatak sıcaklık ve vibrasyonları ile sargı sıcaklık değerleri belirli limit değerleri için dijital kontak üreterek motor besleme devresinin açtırmasını sağlarlar.

D. Diğer Yardımcı Elektrik Ekipmanları

Yukarıda bahsedilenler dışında elektrik sistemine dahil olan birçok ekipman mevcuttur. Aşağıda sırasıyla bu ekipmanlardan bahsedilecektir

Yardımcı Servis Transformatörleri:Genellikle alçak gerilim ile alakalı yüklerin enerjilendirilmesi için tesis edilirler. Yüksek gerilim tarafı OG hücreye alçak gerilim tarafı AG hücreye bağlanır. Yükseltici tip transformatörler için belirtilen seçim kriterleri bu transformatörler için de kullanılmaktadır. Alçak gerilim panolarının kısa devre akım değerini düşürmek için transformatörlerin yüzde kısa devre gerilim değerleri büyük seçilebilir fakat bu sırada iletim kayıpları artacağından optimum bir değer hesaplanmalıdır.

foto24
Şekil 24. Yardımcı Servis Transformatörünün etiketi

Acil Durum Sistemleri:Sahada meydana gelebilecek herhangi bir acil durum veya elektrik kesintisine karşılık kombine çevrim santrallerde mutlaka alçak gerilim barasına bağlı bir dizel generatör tesis edilmektedir. Ayrıca kontrol ve kumanda sistemleri için bataryalar tarafından beslenen DC & UPS sistemleri gerekli büyüklüklerde santrallere kurulmaktadırlar.
Kablolar:Prosese ait yüklerin enerjilendirilmesi, gerekli kontrol sinyallerinin bir yerden başka bir yere taşınması ve üretilen elektrik enerjisinin şebekeye aktarılması için kullanılan iletkenlerin tümü olarak adlandırılırlar. Tesiste güç kablolarının yaydığı elektromanyetik alan sebebiyle kontrol kablolarının bu alandan etkilenmemesine özellikle dikkat edilir. Bu elektromanyetik etkileşimi önlemek amacıyla kontrol kabloları genellikle özel kılıflı tipte seçilirler.
Kablo Tavaları ve Montaj Elemanları:Elektrik altyapısının oluşturulmasında kablo güzergâhları önemli bir yere sahiptir. Genellikle montaj standartlarına uygun olarak gerekli yerlere kablo tavası veya kablo merdiveni döşenerek kabloların ilgili yerlere çekilmesi sağlanır. Sıcaklık yayılım faktörü kabloların tavalara dizilimi açısından önemli bir kriterdir. Kablolar arasında gerekli boşluklar bırakılarak kablo çekim işlemi yapılır.

E. Elektrik Kontrol Filozofisi

Sistemin ilk enerjilendirilmesi için yükseltici transformatörler indirici transformatör olarak kullanılır ve ilk önce orta gerilim hücreleri enerjilendirilir. Daha sonra yardımcı servis transformatörü aracılığıyla önce AG panolar daha sonra işletmeye alma sırasına göre prosesi çalıştıran ekipmanlar devreye girerler. Gaz türbini ve Buhar türbini için gerekli proses ekipmanları enerjilendirildikten sonra generatörler elektrik üretmeye başlar ve bu andan sonra sistem proses için olan elektrik ihtiyacını kendisi karşılayacak konuma gelir. Generatörler tarafından üretilen elektrik yükseltici transformatörler yardımıyla önce şalt tesisine daha sonra iletim hatları aracılığıyla enterkonnekte şebeye verilir.

foto25
Şekil 25. Konsept Tek Hat Şeması

KAYNAKLAR

[1] Power Generation Handbook, Selection, Applications,Operation, and Maintenance, Philip Kiameh
[2]Thermodynamics An Engineering Approach, Çengel,Boles
[3] Gaz Türbinleri, Selim Çetinkaya
[4] Industrial Power System, Shoaib Khan
[5] ABB Transformer Handbook
[6] ABB Switchgear Manual
[7] Power System Engineering, Juergen Schlabbach, Karl-Heinz Rofalski
[8] Energy-Efficient Electric Motor Selection Handbook,McCoy, Litman

In this article

Join the Conversation