Gaz türbinlerinin termoekonomik perfromansına etki eden parametrelerin analizi ve optimizasyonu

Abstract

Günümüzde enerjinin verimli kullanılması dünyanın en güncel sorunlarından biri haline gelmiştir. Bu nedenle, enerji verimliliği ile ilgili konularda yapılan bilimsel çalışmalar her geçen yıl artan bir hızla devam etmektedir. Enerji verimliliği, enerji kaynaklarının israf edilmeden, birim güç üretimi miktarı başına enerji tüketiminin azaltılmasıdır. Enerji konusunda yapılan termodinamik çalışmalar, enerjinin nitelik ve niceliği hakkında fikir verirken, üretilen enerjinin verimliliği hakkında somut bir yaklaşım sağlayamamaktadır. Bu konuda atılan adımlar ve yapılan çalışmalar neticesinde termoekonomik adı altında yeni bir bilim alanı doğmuştur. Minimum maliyetle maksimum enerji üretimi için kendine ait analiz ve optimizasyon yöntemleri bulunan termoekonomi, termodinamik bilimi ile enerji ekonomisi biliminin temellerinden oluşmuştur. Literatürde termoekonomik analizlere dayanan çalışmalar genellikle güç tesislerinde birim enerji üretimine etki eden termodinamik parametrelerin maliyetlerle olan ilişkilerini gözönüne alan analizleri kapsamaktadır. Ancak bu yöntemler de, güç tesislerinin enerji verimliliği analizlerinde yeterli olamamaktadır. Günümüz dünyasının en önemli problemlerinden bir diğeri de küresel ısınmadır. Dünya ülkelerinin son yıllarda üzerinde ciddi olarak çalışılan küresel ısınma probleminin temelinde fosil yakıtların verimsiz tüketimleri yatmaktadır. Birincil enerji üretim kaynaklarının başında gelen fosil yakıtlar, güç üretim tesislerinde enerji üretimi için kullanılmaktadırlar. Hava kirliliğinde en önemli rolü oynayan fosil yakıtlar, yalnızca üretim ve taşıma maliyetleri ile değil, aynı zamanda doğal çevreye ve tüm canlılar üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı çevresel maliyetleri ile de dikkat çekmektedirler. Çok büyük bir küresel tehdit haline gelen çevresel kirliliğin doğurduğu bu maliyetler, bilim adamları tarafından dikkate alınmaya başlanmıştır. Konu ile ilgili literatür incelendiğinde, çevresel maliyetler adı altında yapılan çalışmaların çoğunlukla, ?Dışsal Maliyet? ya da ?Sosyal Maliyet? adı altında ele alındıkları ve tek bir maliyet bileşeni olarak değerlendirildikleri göze çarpmaktadır. Güç tesislerinde üretilen birim enerji maliyetlerinin analizlerinde çevresel maliyetlerinin de göz önüne alınması zorunluluk haline gelmiştir. Ancak çevresel maliyetler, termoekonomik modellerde kapsam dışında tutulmuş ve mevcut termoekonomik analiz ve optimizasyon yöntemlerinin içerisinde değerlendirilme-mişlerdir. Bu durum güç tesislerinin çevreye olan olumsuz etkilerinden dolayı ortaya çıkan çevresel maliyetlerin analizine imkan vermemektedir. Bu çalışmada bir çevresel maliyet modeli önerilmiş ve bu model klasik termoekonomik modele, sonlu zaman termoekonomik modele ve ekserjoekonomik modele entegre edilerek analizler yapılmıştır.Bu tezde önerilen çevresel maliyet modeli, enerji üretimi için tüketilen fosil yakıtların atmosfere saldığı egzoz gazlarından kaynaklanan maliyetler olarak tanımlanmıştır. Böylece toplam maliyet, yakıt maliyeti, ilk yatırım maliyetleri, işletme-bakım maliyetleri ve çevresel maliyet bileşenlerinden oluşturulmuştur. Bu sayede güç üretim tesislerinde birim enerji üretimi için, çevresel maliyetlere de yer verilerek, çevresel etkilerin nümerik olarak incelenmesine imkan tanınmıştır. Çevresel maliyet modelleri, tez içerisinde üç ayrı bölüm halinde ele alınmış ve teorik olarak kapalı çevrimli, rejeneratörlü ve basınç kayıplı tersinmez bir gaz türbinli tesise uygulanarak, gaz türbinlerinin termoekonomik performansına etki eden parametrelerin analiz ve optimizasyonu konusunda nümerik çalışmalar yapılmıştır. Kullanılan model tesisin optimizasyonu amacıyla, birim maliyet başına tesisin net güç çıktısı şeklinde bir amaç fonksiyonu tanımlanmıştır.Tez beş bölümden oluşmaktadır. Çevresel maliyet ve enerji üretim tesisleri hakkındaki genel bilgiler birinci bölümde, klasik termoekonomik modele göre analiz ve optimizasyon çalışmaları ikinci bölümde yapılmıştır. Üçüncü bölümde sonlu zaman termodinamiğine dayalı termoekonomik yaklaşım yöntemi kullanılmıştır. Burada çevresel maliyet, toplam maliyetin bir bileşeni olarak, tesisin birim enerji başına entropi üretimi ve birim entropi üretim maliyeti parametreleri ile tanımlanmıştır. Dördüncü bölümde ise ekserjoekonomik analiz yöntemine göre çalışmalar yapılmıştır. Toplam ekserji maliyetleri, akım hatları ekserji maliyetleri, yakıt ekserji maliyeti, ekserji bozunum maliyeti ve çevresel ekserji maliyeti bileşenlerinden teşekkül etmiştir. Toplam ekserji maliyeti içerisinde yer verilen çevresel ekserji maliyeti, egzoz gazlarının kimyasal ekserjilerini içeren bir maliyet bileşeni olarak tanımlanmıştır. Bu amaçla egzoz gazlarının ekserji değerleri ile egzoz gazı birim ekserji maliyetleri parametre olarak kullanılmıştır. Bu bölümde termoekonomik amaç fonksiyonu, birim toplam ekserji maliyeti başına tesisin net güç çıktısı şeklinde ifade edilmiştir. Analizlerde tesisin tasarım parametrelerinin, termoekonomik performansa olan etkileri araştırılmış ve elde edilen bulgular tezin beşinci bölümünde genel sonuçlar kısmında tartışılmıştır. Tüm bölümlerde optimizasyon amacıyla termoekonomik amaç fonksiyonu, tesisin net güç çıktısının toplam maliyete oranı şeklinde tanımlanmıştır. Elde edilen denklemler FORTRAN programlama dilinde kodlanarak nümerik çözümler gerçekleştirilmiştir ve grafiksel sonuçlar elde edilmiştir.