Derin Okuma — Kazan ve HRSG

Bir bacadan çıkan dumanın faturası

Birleşik Krallık’ta, Humber kıyısındaki dev bir gaz türbininin egzozundan çıkan sıcak gazlar atmosfere karışmadan önce yirmi metre yüksekliğindeki bir ısı değiştirici kutusunun içinden geçer. Kutuya dışarıdan baktığınızda kayda değer hiçbir şey görmezsiniz. İçeride kaynayan suyun sesi, dönen kanatların uğultusunu bastıracak kadar yüksektir. O kutunun çıkışında, aynı yakıtla üretilen elektrik miktarı yüzde elli artar ve ek bir yakıt harcanmaz. Bacadan çıkıp gidecek olan ısı, çelik boruların içinde saniyenin onda biri kadar bir sürede buhara dönüşen su moleküllerini koparır. Termodinamiğin ikinci yasası size bu enerjinin bir kısmının mutlaka kaybolacağını söyler.

Mühendislik ise o kaybı bir başkasının kazancına dönüştürmenin yolunu arar. Isı geri kazanım buhar jeneratörü tam olarak bu dönüşümün adıdır. Basit bir kazan bacadan çıkan dumanı israf sayar. HRSG, o dumanı hammadde olarak görür.

Kızgın bir nefesin anatomisi

Bir kazanın içinde olup biteni anlamak için alevin yüzeyini düşünün. Doğalgaz brülöründen çıkan mavi alev, bin dokuz yüz santigrat dereceye yakın bir sıcaklıkla yanma odasını doldurur. Alevin dili, içinden su geçen çelik boruların dış yüzeyini yalar. Borunun içindeki su kaynamaya başlar. İşin püf noktası, alevin sıcaklığıyla borunun içindeki suyun sıcaklığı arasındaki farkın mümkün olduğunca büyük tutulmasıdır. Sıcaklık farkı ne kadar büyükse ısı transferi o kadar hızlı gerçekleşir.

Basit bir kazanda bu fark başlangıçta çok yüksektir. Alev bin dokuz yüz derece, boru cidarıysa üç yüz derece civarındadır. Isı çılgınca akar.

Ama baca gazı sıcaklığı boru demetinin sonuna doğru dört yüz dereceye düştüğünde transfer hızı kesilir. Dört yüz derecelik gazı atmosfere salmak zorunda kalırsınız çünkü boruların içindeki su iki yüz elli derecede kaynamaktadır ve aradaki yüz elli derecelik fark, daha fazla ısı çekmeye yetmez. O bacadan çıkan dört yüz derecelik gaz, hala bir evi ısıtabilecek kadar enerji taşır. HRSG işte bu noktada devreye girer. Gaz türbininin egzozundan çıkan beş yüz-altı yüz derece aralığındaki atık gazı, kendi yakıtını yakmadan doğrudan bir buhar çevrimine bağlar. Artık alev yoktur. Enerji kaynağı, bir türbinin sıcak nefesidir.

Basınç kademeleri ve çelik bir soğanın katmanları

HRSG’nin içinde yürüyen fizik, tek bir tamburda kaynayan suyun çok ötesine geçer. Modern bir üç basınç kademeli HRSG, iç içe geçmiş üç ayrı buhar devresini aynı gaz akışına maruz bırakır. Yüksek basınç kademesi yaklaşık yüz yirmi ila yüz altmış bar aralığında çalışır. Orta basınç kademesi yirmi ila kırk bar arasında, düşük basınç kademesiyse üç ila yedi bar civarında gezinir. Her kademenin kendi ekonomizeri, buharlaştırıcısı ve kızdırıcısı vardır. Ekonomizer, suyu kaynama noktasının hemen altına kadar ısıtan boru demetidir.

Buharlaştırıcı, suyun faz değiştirerek buhar olduğu bölümdür. Kızdırıcıysa buharı aynı basınçta daha yüksek sıcaklığa taşıyarak türbine girmeden önce enerji yoğunluğunu artırır. Sıcak egzoz gazı önce yüksek basınç kızdırıcısından geçer çünkü en sıcak nokta burasıdır. Sonra sırasıyla yüksek basınç buharlaştırıcısı, yüksek basınç ekonomizeri, orta basınç kızdırıcısı ve böylece devam eder. Çelik bir soğanı katman katman soyar gibi, gazın sıcaklığı her boru demetinde biraz daha düşer. Nihayetinde baca gazı sıcaklığı yüz derecenin altına, bazen seksen beş dereceye kadar iner.

Seksen beş derece, kazan dairesinde elinizi yakabilecek bir sıcaklık değildir. Ama HRSG’nin sonundaki ekonomizer demetinden geçen su için hala değerli bir enerji kaynağıdır.

Üç basınç kademesinin mantığı, tek bir basınçta çalışan devrenin bıraktığı boşluğu doldurmaktır. Su, sabit basınçta kaynarken sıcaklığı değişmez. Yüksek basınç devresi üç yüz yirmi derecede kaynar, gaz bu sıcaklığın altına indiğinde artık o devreye ısı veremez.

Ama orta basınç devresi iki yüz otuz derecede kaynadığı için gazdan ısı çekmeye devam eder. Düşük basınç devresi yüz kırk derecede kaynar ve gazın son kırıntısını da alır. Her kademe, gaz sıcaklık eğrisinin farklı bir dilimini yakalar. Tek basınçlı bir HRSG, baca gazını ancak yüz altmış dereceye kadar soğutabilir. Üç basınçlı tasarım aynı gazı doksan dereceye indirir. Aradaki yetmiş derecelik fark, yıllık yakıt faturasında milyonlarca dolarlık bir satırdır.

Yaklaşma sıcaklığı ve görünmez duvar

HRSG tasarımında en kritik parametrelerden biri pinch point, yani yaklaşma sıcaklığıdır. Pinch point, gaz tarafındaki sıcaklık eğrisiyle su-buhar tarafındaki sıcaklık eğrisinin birbirine en çok yaklaştığı noktadır. Tipik bir HRSG’de bu mesafe sekiz ila on beş santigrat derece arasında tutulur. On derecelik bir pinch point, egzoz gazının buharlaştırıcıya giriş sıcaklığıyla tamburdaki doyma sıcaklığı arasındaki farkın yalnızca on derece olduğu anlamına gelir. Farkı beş dereceye düşürmek, daha fazla ısıyı buhara aktarmak demektir.

Ama bunun bir bedeli vardır. Pinch point küçüldükçe gerekli ısı transfer yüzeyi katlanarak büyür. Isı transfer yüzeyi, boru demetlerinin toplam dış alanıdır ve her metrekare çelik, para demektir. On dereceden sekiz dereceye inmek, ısı transfer alanını kabaca yüzde yirmi ila yirmi beş arasında artırır. HRSG’nin çelik ağırlığı birkaç bin ton mertebesinde olduğu düşünüldüğünde, bu artışın sermaye maliyetine yansıması milyon dolarlarla ölçülür. Tasarımcı her seferinde aynı teraziyi kurar.

Bir kefede pinch point’i düşürerek kazanılan ek verim, diğer kefede fazladan çelik ve imalat maliyeti. İşletme ömrü boyunca yakıttan edilecek tasarruf, ilk yatırım maliyetindeki artışı karşılıyorsa o pinch point kabul edilir. Karşılamıyorsa baca gazı sıcaklığının biraz daha yüksek kalmasına razı olunur.

Pinch point’in konumu da en az büyüklüğü kadar önemlidir. Farklı tasarım senaryolarında pinch point, buharlaştırıcının girişinde, çıkışında veya ekonomizerle buharlaştırıcı arasındaki geçiş bölgesinde oluşabilir. Konum, egzoz gazı sıcaklık profilinin eğimine bağlıdır. Gaz türbini kısmi yükte çalışırken egzoz sıcaklığı düşer ve pinch point buharlaştırıcının ortasına kayar. O noktada transfer yüzeyi aynı kalır ama ısı akışı azalır. HRSG işletmecileri bu kaymayı bilir ve kısmi yükte buhar üretimindeki düşüşü öngörür. Tasarım noktası genellikle tam yükte optimize edilir çünkü gaz türbinleri ömrünün büyük kısmını tam yüke yakın çalışarak geçirir.

Gaz yolu direnci ve bir türbinin nefes alma zorluğu

HRSG’nin gaz türbinine getirdiği bir başka yük de karşı basınçtır. Gaz türbininin egzozu, HRSG’nin içindeki boru demetlerinden geçerken bir dirençle karşılaşır. Karşı basınç, türbinin egzoz çıkışındaki basıncın atmosfer basıncının üzerine çıkmasıdır. Her milibarlık artış, türbinin ürettiği net gücü azaltır. Tipik bir ağır hizmet gaz türbininde, HRSG’nin yarattığı karşı basınç yirmi beş ila kırk milibar aralığındadır. Yirmi beş milibarlık bir karşı basınç, türbin çıkış gücünde kabaca yüzde sıfır virgül beş ila bir arasında bir kayba yol açar.

Dört yüz megavatlık bir türbinde bu kayıp iki ila dört megavat mertebesindedir. Saatte iki megavatlık kayıp, yılda sekiz bin çalışma saatinde on altı bin megavat-saat eder. Elli dolar megavat-saat başına elektrik fiyatıyla sekiz yüz bin dolarlık bir yıllık gelir kaybı demektir. HRSG tasarımcısı bu kaybı minimize etmek için boru demetlerini seyrek yerleştirir, gaz yolunu genişletir ve kanatçıklı boruların geometrisini optimize eder.

Ama seyrek yerleşim ısı transfer katsayısını düşürür. Düşen katsayıyı telafi etmek için daha fazla boru yüzeyi gerekir. Tasarım bir kez daha iki ateş arasında kalır.

Kanatçık geometrisi bu tartışmanın en ince ayar noktasıdır. HRSG borularının dış yüzeyine spiral şeklinde sarılan kanatçıklar, gaz tarafındaki ısı transfer yüzey alanını borunun çıplak yüzeyine göre altı ila on kat artırır. Kanatçık yüksekliği arttıkça yüzey alanı büyür ama gaz akışına karşı direnç de artar. Kanatçık aralığı daraldıkça aynı boru uzunluğuna daha fazla kanatçık sığar ama kül ve partikül birikimi riski yükselir. Doğalgaz yakan bir türbinde egzoz nispeten temizdir, kanatçık aralığı dört ila altı milimetreye kadar inebilir. Fuel oil yakan bir tesiste aynı aralık sekiz ila on milimetreye çıkar çünkü kükürt ve vanadyum bileşikleri kanatçık yüzeyinde birikerek ısı transferini zamanla bozar. Tasarımcı yakıt analizini görmeden kanatçık geometrisine karar veremez.

Sirkülasyon zorunluluğu ve doğal taşınımın sınırı

HRSG buharlaştırıcıları iki temel sirkülasyon yöntemiyle çalışır. Doğal sirkülasyonlu tasarımda su, yoğunluk farkıyla hareket eder. Tamburdan düşen soğuk su yoğundur, boru içinde ısınan su-buhar karışımı hafiftir. Aradaki yoğunluk farkı, suyu pompa olmadan boru demetinde dolaştırır. Sistem basittir ama bir sınırı vardır. Basınç yüz kırk barın üzerine çıktığında su ve buhar arasındaki yoğunluk farkı o kadar daralır ki doğal taşınım artık güvenilir bir itici kuvvet sağlayamaz. Yüksek basınç kademesi bu eşiğe yaklaştığında mühendisler cebri sirkülasyona geçer.

Cebri sirkülasyonlu HRSG’de her buharlaştırıcı devresinin girişine bir sirkülasyon pompası yerleştirilir. Pompa, suyu tamburdan alır ve boru demetine belirli bir debiyle basar. Debi, buharlaşma hızının üç ila beş katı tutulur. Fazla su, buhar kabarcıklarının boru cidarına yapışıp kuru nokta oluşturmasını engeller. Kuru nokta, borunun iç yüzeyinde su filminin koptuğu ve metal sıcaklığının aniden yükseldiği bölgedir. O bölgede yüzeyde tuz birikimi hızlanır ve boru cidarı incelmeye başlar.

Sirkülasyon pompası küçük bir enerji tüketicisidir, tipik olarak HRSG çıkışının yüzde yarımından azını harcar. Ama sağladığı koruma, boru ömrünü on yıllara taşır.

Piyasa Hafızası. Teksas donduğunda HRSG’ler neden durdu

Şubat 2021’de Teksas’ı vuran kış fırtınası Uri, doğalgaz santrallerinin soğuk havadaki kırılganlığını acımasızca ortaya çıkardı. 15 Şubat sabahı eyalet genelinde otuz gigavatın üzerinde termik santral kapasitesi devre dışı kaldı. Arızaların önemli bir kısmı HRSG’lerin besleme suyu hatlarında ve enstrümantasyon borularında meydana gelen donmalardan kaynaklandı. Normal şartlarda sıcak egzoz gazıyla çalışan bir HRSG’nin içindeki suyun donması beklenmez.

Ama santral devre dışıyken veya düşük yükte çalışırken, HRSG’nin dış cidarındaki ısı izolasyonu yeterli korumayı sağlayamadı. Eksi on beş dereceye düşen ortam sıcaklığı, tamburlardaki su seviye sensörlerinin darbe hatlarını dondurdu. Donan hatlar, kontrol sistemine yanlış sinyaller göndererek acil durdurma tetikledi. Ders nettir. HRSG yalnızca bir ısı değiştirici değil, aynı zamanda bir su devresidir ve su, sıfırın altında donar. Soğuk iklimlerde yapılan HRSG yatırımları artık tambur ve enstrümantasyon hatlarında ısıtma kabloları ve kapalı devre sıcak su sirkülasyon sistemlerini standart pakete dahil eder.

Küçük Bir Hesap. Bir HRSG’nin kendini kaç yılda ödediği

Sayılar temsili, mantık gerçek. Aşağıdaki model, dört yüz megavatlık bir gaz türbininin arkasına bağlanan üç basınç kademeli bir HRSG’nin ekonomisini yansıtır.

Hesap, HRSG’nin ek yakıt tüketmediği varsayımına dayanır. Gaz türbini aynı miktarda doğalgazı ister açık çevrim ister kombine çevrim modunda yakar. Duyarlılık twisti şuradadır. HRSG’nin pinch point’i on iki dereceden sekiz dereceye düşürülürse, buhar türbini çıkışı iki yüz megavattan iki yüz on megavata yükselir. Yıllık ek gelir seksen milyon dolardan seksen dört milyon dolara çıkar.

Ama pinch point’i düşürmenin HRSG maliyetine getirdiği ek yük yaklaşık yirmi milyon dolardır. İlk yatırım iki yüz elli milyon dolardan iki yüz yetmiş milyon dolara çıkar. Yıllık dört milyon dolarlık ek gelir, yirmi milyon dolarlık ek yatırımı beş yılda öder. Projenin ömrü otuz yıl olduğuna göre, pinch point’i düşürmek karlıdır. Ama bu karar, o yirmi milyon doları başka bir yerde kullanma fırsatının maliyetini de içermelidir.

Külçe altından ince levhaya

HRSG’yi anlamak için üç katmanlı bir okuma yapmak gerekir. İlk katman verimliliktir. Aynı yakıttan daha fazla elektrik üretmek, termodinamik bir başarıdan önce bir işletme kararıdır.

İkinci katman denge mühendisliğidir. Pinch point, karşı basınç ve ısı transfer yüzeyi arasındaki üçlü çekişme, tasarım masasında her seferinde yeniden kurulur. Üçüncü katman finansal arbitrajdır. HRSG, bedava bir enerji kaynağını (atık ısıyı) satılabilir bir emtiaya (buhar ve elektrik) dönüştürür. Dönüşümün sermaye maliyetiyle işletme ömrü boyunca yaratacağı nakit akışı arasındaki makas, yatırım kararının özüdür. Birleşik Krallık’taki Humber kıyısındaki o kutunun içinde olan şey, bir külçe altını alıp mikron kalınlığında levhalar halinde döverek yüzey alanını artırmaktan farksızdır. Isıyı iki kere satmak, alevi bir kez yakmanın en sessiz yoludur.