Etiket: kojenerasyon

Kojenerasyon Ve Trijenerasyon Sistemi Nasıl Çalışır?

Kojenerasyon Nedir?

Kojenerasyon ve trijenerasyon sistemi enerji verimliliği konusunda öne çıkan enerji tesislerinin başında gelmektedir. Kojenerasyon kelimesi İngilizce ‘co-generation’ kelimesinden dilimize giren, bileşik ısı-güç üretim’ teknolojisidir.  İhtiyaç duyulan elektrik ve ısınma enerjisinin tek bir kaynaktan üretilmesi anlamına gelir. Bir başka deyişle Isı ve elektriğin birlikte üretildiği (CHP : Combine Heat Power) sistemleridir. Bunun için gaz motoru ve alternatör ile elektrik enerjisi üretilirken, çıkan ceket suyu sıcaklığının ve egzoz gazlarının ısısından faydalanılarak borulu eşanjörler yardımı ile sıcak su üretilir (95 C°). Elde edilen sıcak su genel ısıtma sistemine verilerek ısıtmaya katkıda bulunulur. Bu sayede %45-%55 civarı enerji verimliliği sağlanmış olur.

Motor–alternatör, radyatör ve su sirkülasyonunu sağlayan pompa ile birlikte suyun egzoz gazı ısısıyla ısıtıldığı eşanjörden oluşan bir set olarak konfigüre edilmiştir. Yüksek güçteki gaz motoru egzozundan çıkan sesi engellemek için ek olarak susturucu da kullanılmaktadır. Gaz motorlarının kojenerasyon amacıyla kullanılması durumunda, sistemden elde edilen ısı enerjisi üç unsurdan meydana gelir: gaz motorunun yağlama devresi, egzoz gazları ve silindir bloğu (ceket suyu) soğutma devresidir. Gaz motorlarında atık ısının yaklaşık %70’i sıcak suya, %30’u ise buhar fazına geçer. Soğutma devreleri; silindir-gömlek (ceket), karterdeki yağın soğutulması ve intercooling soğutmasını içerir. Bu, egzoz eşanjöründen elde edilen ısıyla desteklenir. Kojenerasyon sistemlerinin soğutma ihtiyacı göz önüne alındığında, geri kazanılan ısı, en verimli şekilde ısıtma sistemlerinde ve sıcak kullanma suyu temininde kullanılabilir.

Kojenerasyon ve trijenerasyon sistemleri sürekli çalışması gereken jeneratör setleri olduğu sürekli güç (continuous power) değeri baz alınır. Şebekeye senkron çalışırlar.

Trijenerasyon Nedir?

Aynı enerji kaynağını kullanarak, enerjinin elektrik, ısı ve soğutma formlarını aynı sistemde bir arada üretme sürecine “Combined Cooling Heat and Power (CCHP)” denir ve bu, kojenerasyonun geliştirilmiş bir formudur. Var olan kojenerasyon sistemine entegre edilen soğutma sistemleri, üretimi “Elektrik+Isıtma+Soğutma” olarak birleştirir. Bu entegrasyon, kojenerasyondaki gibi enerji verimliliğini artırmaktadır. Trijenerasyon sisteminde, kojenerasyon sistemlerinde olduğu gibi, aynı miktarda yakıt kullanılmaktadır.

Kojenerasyon sistemlerinde, motor ceket suyu ve egzoz gazlarından elde edilen sıcak su genellikle ısıtma sistemlerinde kullanılır. Eğer uygulamada soğutma suyu ihtiyacı da varsa, bu sıcak su, absorbsiyonlu soğutma sistemi chiller aracılığıyla iklimlendirme sistemlerinde (7-12°C) kullanılır. En basit çevrimle çalışan, yani sadece elektrik enerjisi üreten bir gaz jeneratörü kullanan sistemlerde, enerjinin %35-48’i elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Ancak, kojen ve trijen şeklinde sistemler çalıştırılırsa, enerjiye dönüşecek olan toplam enerji girişi %75-95 oranında değerlendirilir. Özetle kojenerasyon sistemine ek olarak soğutma kulesiyle birlikte absorbsiyonlu soğutma sistemi chiller ünitesi eklenerek kojenerasyon sistemi, trijenerasyon sistemine dönüştürülür.

Trijenerasyon sistemi, yaz aylarında ısıtma ihtiyacının olmadığı durumlarda sadece elektrik ve soğutma ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla kullanılacaktır. İşletme düzeyinde, toplam enerji giderlerinin azalması, maliyetleri düşürerek son ürün kalitesini etkilemeden şirketin rekabet gücünü artıracaktır. Aynı zamanda işletmenin enerji temin güvencesini sağlayacak ve üretim kesintilerinden kaynaklanan zararları ortadan kaldıracaktır. Trijenerasyon sistemi, elektrik üretimini daha ekonomik bir şekilde gerçekleştirebilirken, bu süreçte ortaya çıkan ısı enerjisi, yakıt tüketimi olmadan elde edildiği için ısıtma ve soğutma hizmetlerini daha düşük maliyetle sağlar. Ayrıca, trijenerasyon sistemi çevre duyarlılığı açısından da oldukça yararlıdır.

Trijenerasyon Sisteminde Enerji Üretim Aşamaları Nasıldır?

Trijenerasyon sisteminde enerji üretimi aşağıdaki aşamalar ile gerçekleşir.

• Gaz motoru vasıtası ile mekanik dönüş hareketi üretilir.
• Üretilen mekanik güç, elektrik üreten bir alternatörü çalıştırmak için kullanılır.
• Isıl güç üreten motordan, egzoz gazları, soğutma suyu ve yağlama yağı ile açığa çıkan atık ısı enerjisi, ısıtma veya soğutma gereksinimlerini kısmen veya tamamen karşılamak için kullanılır.
• Soğutma işlemi, sıcak suyun ısı enerjisi ile çalışan tek veya çift etkili bir absorbsiyonlu chiller ile gerçekleştirilir.

Gaz Motorundaki Termal Enerjiler Nelerdir?

Gaz motorunun etkili ve düzgün bir şekilde çalışabilmesi için, motor ceketi üzerinde oluşan ısıyı uzaklaştırmak önemlidir. Bu nedenle, motorlarda “cekete suyu” olarak adlandırılan soğutma suyu dolaştırılır. Bu su genellikle 80-95°C sıcaklık aralığında olur. Plakalı eşanjörde soğutulan su, eşanjörden çıkışta üç yollu termal vana yardımıyla motor ceketine veya soğutma için radyatöre yönlendirilir. Burada soğutulan su (75-80°C), motor ceketine iletilir. Egzoz gazı ise motorun içinde yanan doğal gazdan oluşan egzoz gazı çok yüksek (400-600°C) sıcaklığa sahiptir. Ayrıca LT hattı denilen motor üzerindeki yağın soğutulması ile elde edilen sıcak su bulunur. Buradan elde edilen termal enerji çok düşük seviyelerdedir. Havuz, musluk suyu ısıtılmasında kullanılabilir.

Gaz Motorlu Kojenerasyon Uygulamalarının Avantajları Nelerdir?

Toplam %40 düzeylerine ulaşabilen elektrik çevrim verimi ile yüksek miktarda elektrik üretilebilir. Elektrik tüketiminin, ısı tüketimine oranı daha yüksek uygulamalar için kullanılması önerilir. Elektrik/ısı oranı 0,8 düzeylerindedir. Bu özellikleri nedeniyle, gaz motorları, elektrik gereksinimi ile birlikte, ısıtma ve/veya soğutma (trijenerasyon) amaçlı ısı enerjisi gereksinimi olan; toplu konut, hastaneler, üniversite kampüsleri, oteller, tatil köyleri, yüzme havuzları ve spor tesisleri gibi alanlarda etkin bir şekilde uygulanabilir.

Fakir karışım veya katalizörlü yakma sistemlerinin doğal gazla birleştirilmesi sayesinde, zararlı emisyon seviyeleri önemli ölçüde düşürülmüştür. Modern fakir karışım yakma sistemlerine sahip motorlar, uzun süre izin verilen emisyon değerlerinin altında kalarak NO emisyonlarını azaltmak için katalizöre ihtiyaç duymazlar. Kısmi yük verimlilikleri ve çok modüllü düzenleme yetenekleri, gaz motorlu kojenerasyon sistemlerini son derece esnek kılar. Kısmi yükte çalışma durumunda, verimin önemli ölçüde etkilenmemesi ve modüllerin gerektiğinde sırayla devreye girmesi ve çıkması, sistemin elektrik ve ısı ihtiyaçlarını gün içinde meydana gelen talep değişiklikleri ve EIO değişiklikleriyle rahatça dengeleyebilmesine olanak tanır. Bu durum, enerji maliyetlerini gün bazında en aza indirme konusunda yardımcı olur.  Gaz motoru, hızlı bir şekilde devreye alınabilir ve aynı hızda devre dışı bırakılabilir, bunun yanı sıra tesisin kurulumu, diğer sistemlere göre daha kısa sürede tamamlanabilir, çünkü daha az devre elemanı içerir. Ayrıca, tesisin enerji tüketimi düşüktür. Gaz motorları kojenerasyon sistemi uygulamalarında yakıt olarak genelde doğalgaz kullanılır. Bunun yanında atık su arıtma tesisleri, çöp toplama tesisleri gibi ve hayvan ve bitki atık tesislerinden elde edilecek olan gaz yakıtlar da kullanılabilmektedir.

Kojenerasyon ve Trijenerasyon Sisteminde Kullanılan Elemanlar

Gaz Jeneratörü

Gaz jeneratörü, doğalgaz veya biyogaz gibi yakıtla çalışan içten yanmalı bir motor ve buna uygun bir alternatörün akuple edilmesiyle oluşturulan bir elektrik makinesidir. Gaz motorların çalışma prensibi, havanın sıkıştırılıp yakıt ile yakılması ve ortaya çıkan enerjinin pistonlar aracılığı ile mekanik güce dönüştürmesi şeklindedir. Gaz motoru içerisindeki hava ve gaz oranın ayarlanması, silindir hacminin, yanma odası hacmine oranı olan sıkıştırma oranının ayarlanması, emme zamanının, sıkıştırma zamanının, bujilerle ateşleme zamanının ve egzoz zamanının doğru ayarlanması çok ince hassas kontrol gerektirir. Gaz motoru tarafından üretilen hareket enerjisi alternatöre iletilir ve alternatör, bu enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Gaz motorları sadece elektrik üretmek amacı için kullanıldığında verimleri %40-45 dolayındadır. O nedenle kojenerasyon ve trijenerasyon sistemlerinde yüksek verimli olarak çalışırlar ve tercih edilmesinin sebeplerinden biri de budur. Gaz motorları V tipi veya sıra tipinde olabilir. Yanma odasına giren gazın oranı ve basıncı ayarlanır. Gaz jeneratörünün ana girişinde bir gaz hattı bulunur. Bu hatta birçok valf ve manometre bulunmaktadır. Her motorun (dizel veya gaz) bir governoru vardır. Governor, motorun devrini sabit tutmayı sağlayan kontrol birimidir. Bunu sağlayan, Actuator denilen bir yapıyı kontrol eder. Actuator, gaz motorlarında gaz+hava karışımının, istenilen devir sayısına göre silindirlere girmesi gereken karışım miktarını ayarlar. Motora giren gaz, hava ile belli oranda karışır. Bu karışım, düzenli, doğru ve verimli yanmanın silindirlerde gerçekleşmesini sağlar.  Lambda ise, motora giren gaz ile havanın karışım oranıdır. Genel olarak bir oran belirlemek gerekirse, Lambda oranının 1 olduğu durum, 1 birimlik gaza karşılık 14 birim havanın girdiği durumdur. Elektrik panosunda lambda oranı sürekli izlenir ve kontrol altında tutulur. Lambda ayarı ile, motordan çıkan egzoz gazının çevre etkisi yani emisyonu ayarlanabilmektedir. Lambda makinenin hızını, verimini ve düzenli çalışmasını doğrudan etkiler.

Gaz jeneratörlerinde yakıt gazı olarak genelde doğalgaz ve biyogaz kullanılır. Bu gazlardan en güvenlisi doğal gazdır. Biyogazlar, içlerinde barındırdıkları hidrojen sülfür CO2, H2O nedeni ile kirlilik barındırır. İstenmeyen gazlar, gazın içerisinden temizlenmelidir, filtre edilmelidir. Yoksa gaz motoruna zarar verebilir.

Pistonlu bir gaz motorunda yanan yakıtın enerjisinin;

• % 35 – 40’lık kısmı mekanik güce,
• % 30 – 35’lik kısmı motor gömlek ısısına,
• % 25 – 30’luk kısmı egzoz ısına,
• % 7 – 10’luk kısmı ise radyasyon enerjisi şeklinde kayıp enerjiye dönüşür.

Isı Değiştiriciler (Eşanjörler)

Eşanjörler, ısının bir ortamdan diğerine aktarılmasında kullanılırlar. Birbirlerinden farklı akışkanlar arasında hızlı ve yüksek ısı transferi gerçekleştiren ekipmanlardır. Plaka ve boru tipli eşanjörler olmak üzere iki tipte bulunur. Plaka tipli eşanjörde, birbirine karışmadan dolaşan, ancak birbirine ısı transferi yapabilen iki ayrı akışkan devresi mevcuttur. Bu devreler, ısıtan akışkanın dolaştığı primer devre, ikincisi ise soğutan akışkanın dolaştığı sekonder devredir. Plaka tipli eşanjörler, az yer kaplar ve ekonomiktir. Borulu ısı eşanjörleri ise ısı transfer yüzeyi borulardan oluşur. Bu eşanjörler, doğalgaz, LPG, dizel, biodizel, biogaz gibi yakıtlarla çalışan motor ve jeneratörlerin egzoz gazlarındaki atık ısıyı suya alarak sıcak su ve endüstriyel işlemlerde      kullanılan proses suyu üretir.

Uygun eşanjör seçimi, yakıt tipi, egzoz gazı kütlesel debi, egzoz gazı giriş sıcaklığı ve su devresi giriş sıcaklığı ve debisi göz önünde bulundurularak doğru bir mühendislik çalışmasıyla hesaplanır ve seçilir.

Radyatör

Enerji tesislerinde motor türbin gibi makinelerin soğutulacak suyunun soğutulmasında kullanılır.

Absorbsiyonlu Soğutma Ünitesi Chiller

Genelde trijenerasyon tesislerinde kullanılan soğutma ünitesi chiller tipi, absorbsiyonlu chillerlerdir (ABS Chiller). ABS’li soğutma sistemler büyük miktarda soğutma ihtiyacı duyan endüstriyel uygulamalarda kojenerasyon tesisi ile birlikte kullanılır ve üretilen termal enerjinin en yüksek kullanımını sağlar, elektrik üretimini dengeler ve CO2 üretimini azaltır. Trijenerasyon sistemlerinde atık ısıyı kullanarak elde edilen sıcak su (95°C) ile soğutma sistemlerinde soğutma elde etmek mümkündür. Uygulamada iki tür ABS chiller sistemi mevcuttur. Amonyak-su ve su-lityum bromür ikili karışımları ile çalışan sistemlerdir. Amonyak-su ile çalışan çevrimler 0C°altındaki soğutma sistemleri için kullanılır. Lityum-bromür ile çalışan çevrimlerin alt çalışma sınırı 4C°olduğundan genellikle iklimlendirme uygulamaları için tercih edilir.

Soğutma Kulesi

Trijenerasyon sisteminin bir elemanı da su kulesidir. Absorbsiyonlu soğutma sistemindeki yoğuşturucudan gelen ılık su su kulelerinde soğutulur ve sisteme geri döner. Bu işlemde atık ısı atmosfere verilir. Hava kuleye aşağıdan çekilir ve yukarıdan çıkar. Yoğuşturucudan gelen ılık su kulenin tepesine pompalanır ve hava akımının içine püskürtülür. Su damlaları yer çekiminin etkisi ile yere düşerken %1 kadarı buharlaşır ve bu eksilen miktar sisteme sürekli eklenir. Soğutulan su kulenin altında toplanır.

Vanalar, Sirkülasyon Pompaları ve Emniyet Ventilleri

Vanalar borular içerisinden akan su yolunu kapatıp açan, yönünü değiştiren mekanik açma kapama elemanlarıdır. Termostatik vanalar sıcaklığa bağlı olarak su yolunu açıp kapatan vanalardır. Motorlu olarak kullanılabilirler.  Kesme vanaları değildir, sıcaklığa bağlı su yolunu değiştiren vanalar olarak düşünülebilir. Kelebek vanaları ise oldukça basit bir tasarıma sahip bir kapatma vanasıdır. Kojenerasyon tesislerinde kullanılırlar. Akışkana akışa izin vermek için, çeyrek dönüş ile tamamen açık bir konumdan tam kapalı bir konuma veya tam tersi şekilde kolayca yönetilebilir. Sistemlerimizde, kuru rotorlu sirkülasyon pompaları, soğutma amaçlı sirkülasyon için kojenerasyon sistemlerinde hem primer hem de sekonder devrelerde kullanılır. Emniyet ventilleri, basınçlı tanklar ve diğer sistemlerde belirlenen sıcaklık veya basınç limitlerine ulaşıldığında otomatik olarak gaz salımını gerçekleştiren vana mekanizmalarıdır.

Jeneratör Transfer ve Kontrol Panoları

Kontrol panolarında jeneratör kontrol cihazları, röleler, devre kesiciler, akım ve gerilim trafoları, sürücüler, kontaktörler gibi jeneratörün hızını, akımını, gerilimini, içerisinde bulunan pompaları izleyen ürünler bulunmaktadır. Jeneratör kontrol cihazları çok fonksiyonel cihazlar olup, içerisinde PLC programı bile yazılabilecek özellikteki koruma cihazlarıdır. Akım ve gerilim okuyabilirken aynı zamanda analog ve dijital girişler & çıkışlar ile de jeneratörde izlenmesi gereken tüm parametreleri toplar. Hem alternatörün voltaj regülatörüne hem de motorun governörüne sinyal göndererek jeneratörün frekansını, gerilimini ve yüklenmesini kontrol eder. Kontrol cihazın türüne göre birçok haberleşme protokolü ile çalışabilen bu cihazlar jeneratörlerin beynidir. Kojenerasyon ve trijenerasyon tesislerinde ise bu pano üzerinden egzoz sıcaklığı, eşanjördeki su sıcaklıkları, boru hatlarından geçen suyun sıcaklıkları, absorbsiyonlu soğutma ünitesine giren ve çıkan suyun sıcaklıkları ve basınçları vb. gibi değerler takip edilebilmektedir.