Derin Okuma — Kombine Çevrim Dengesi

Egzoz bacasından çıkan para

Bir doğal gaz kombine çevrim santralinin tepesine çıkıp egzoz bacasına bak. Gördüğün şey neredeyse görünmez bir sıcak hava titremesi. Sıcaklık 600 santigrat dereceyi aşmış, ama gaz artık işini bitirmiş sayılıyor. Oysa o bacadan her saniye, bir şehir bloğunu ısıtabilecek enerji kaçıyor. Basit çevrimli bir gaz türbini, yaktığı gazın kimyasal enerjisinin kabaca üçte ikisini bu sıcak egzozla dışarı atar. Geriye kalan üçte biri elektriğe dönüşür.

Oran, 1950'lerin mühendislik gerçeğiydi ve öyle de kalabilirdi. Peki neden kalmadı?

İkinci türbin neden aynı yakıtı bedava bulur

Kombine çevrimin özü tek bir cümlede saklı. Gaz türbini yakıtı yakar, elektrik üretir, egzozunu bırakır. Egzoz, artık bir atık değil, ikinci bir makinenin yakıtıdır. Buhar türbini, o sıcak gazın suyu kaynatmasıyla döner ve ikinci bir elektrik üretir. Aynı gaz molekülü, iki farklı türbinde iki kez iş yapar. Günlük benzetmeyle söyle, çaydanlığı ocağa koyup suyu kaynattıktan sonra, çıkan buharla bir pervaneyi döndürmek gibi.

Buhar zaten bedava geliyor, sen sadece onu yakalayacak bir türbin kuruyorsun. Verim bu yüzden yüzde 35'lerden yüzde 60'ların üstüne çıkar. Ama bu ikinci türbin kendiliğinden çalışmaz. Onu besleyen bir ısı geri kazanım kazanı, bir buhar döngüsü ve bir kondenser zinciri gerekir. Zincirin her halkası, verimin nerede kaybedildiğini belirler.

Kombine çevrimin toplam verimi, iki türbinin veriminin toplamı değildir. Gaz türbini tek başına yüzde 40 verimle çalışıyorsa, buhar döngüsü de egzozdan kalan ısının yüzde 30'unu elektriğe çeviriyorsa, toplam verim kabaca yüzde 58'e oturur. Matematik basit. Gaz türbini 100 birim yakıt alır, 40 birim elektrik ve 60 birim egzoz ısısı bırakır. Buhar döngüsü o 60 birimin 18'ini elektriğe çevirir. Toplam 58 birim elektrik, 42 birim kayıp. Kaybın büyük kısmı kondenserde soğutma suyuna gider, bir kısmı da baca gazıyla atmosfere sızar.

İki türbin arasındaki bağ, tek bir noktada kopabilir. Egzoz sıcaklığı 600 derecenin altına düşerse, buhar döngüsünün ürettiği buharın sıcaklığı ve basıncı da düşer. Buhar türbini devreye girer ama beklenen gücü üretemez. O yüzden gaz türbini tasarımı, sadece kendi verimini değil, egzoz sıcaklığını da birincil hedef olarak kovalar. 9H sınıfı türbinler bu yüzden 600 dereceyi aşan egzoz sıcaklığına göre optimize edilir.

Isı geri kazanım kazanının içinde ne oluyor

Egzoz gazı, kazana girer ve içinden geçtiği boru demetlerindeki suyu ısıtır. Su önce ekonomizörde 150-200 dereceye kadar ön ısıtılır, sonra buharlaştırıcıda kaynatılır, en son kızdırıcıda 540-565 dereceye ve 100-160 bar basınca çıkarılır. Üç bölge, kazanın boyunca sıralanır ve her biri farklı bir metal alaşımı ister. Kızdırıcı boruları, sürekli 560 derece buharla temas ettiği için yüksek kromlu çelikten yapılır. Ekonomizör ise daha mütevazı bir karbon çeliğiyle idare eder. Kazanın çıkışında egzoz gazı hala 80-100 derece sıcaklıktadır.

Son ısıyı da çekmeye çalışırsan, baca gazındaki su buharı yoğuşur ve içindeki sülfür bileşikleri asit damlalarına dönüşür. Borular delinir. O yüzden kazan çıkışındaki sıcaklık, bir mühendislik tavizidir. Verim ile ömür arasındaki o ince çizgide durur.

Tavizin sınırı, yakıtın kükürt içeriğine bağlıdır. Doğal gazda kükürt neredeyse yok denecek kadar azdır, o yüzden baca gazı çiy noktası 55-60 dereceye kadar inebilir. Ama aynı kazan, sıvı yakıtla çalıştırılırsa çiy noktası 120 dereceye fırlar. Aynı boru demeti, aynı basınç, ama tamamen farklı bir alt sıcaklık sınırı. Kazan tasarımı yakıtla birlikte değişir.

Kazanın bir de ısı transfer yüzeyi hesabı vardır. Boru demetlerinin toplam yüzey alanı, egzoz gazının kütle akışına ve sıcaklık farkına göre boyutlandırılır. 500 megavatlık bir santralde bu yüzey kabaca 40-60 bin metrekareye çıkar. Yüzeyi büyütmek verimi artırır ama basınç kaybını da artırır. Egzoz gazı boruların arasından geçerken sürtünmeyle basıncını kaybeder. Kayıp, gaz türbininin egzozunu geriye doğru iter ve türbinin kendi gücünü düşürür.

Yani kazanı büyütmek, bir noktadan sonra gaz türbininden çaldığını geri vermeye başlar. Optimum, iki kaybın kesiştiği yerde durur.

Buhar türbini neden üç kademede döner

Buhar türbinine 560 derece, 150 bar buhar girer. Buhar, türbinin ilk kademesinde basıncını hızla kaybeder ve genişler. Ama tek kademede bırakırsan, çıkış buharı hala yüksek enerjilidir.

O yüzden türbin üç ayrı gövdeye bölünür. Yüksek basınç gövdesi buharı alır, orta basınç gövdesine gönderir, oradan alçak basınç gövdesine geçer. Her gövde arasında buhar yeniden ısıtılabilir. Ara ısıtma, buharın sıcaklığını tekrar 540 dereceye çıkarır ve türbinin son kademelerinde yoğuşma kaybını azaltır. Alçak basınç gövdesinin çıkışında buhar artık 0,05-0,1 bar basınçta ve 30-40 derece sıcaklıktadır. Kondenserde soğutma suyuyla temas eder, sıvıya döner ve tekrar kazana pompalanır.

Kapalı döngü, sistemin kalbidir. Suyun saflığı burada kritik hale gelir. İçindeki çözünmüş oksijen ve tuzlar, kazan borularında korozyon ve tortu yapar. O yüzden besleme suyu, iyon değiştirici reçinelerden geçirilip iletkenliği 0,1 mikrosiemens altına indirilir.

Ara ısıtmanın kazancı ölçülebilir. Tekrar ısıtma olmadan, alçak basınç gövdesinin son kademelerinde buhar o kadar nemlenir ki içindeki su damlacıkları türbin kanatçıklarına çarpar ve erozyona yol açar. Nem oranı yüzde 10'u geçtiğinde kanatçık ömrü hızla düşer. Ara ısıtma, buharı kurutur ve nemi yüzde 5-6 bandına çeker. Aynı zamanda türbinin ürettiği işi yüzde 3-5 artırır. Yani ara ısıtma, hem ömür hem verim kazancıdır.

Kondenser tarafı da bir denge noktasıdır. Kondenser basıncı ne kadar düşükse, buhar türbininin ürettiği iş o kadar artar. 0,05 bar mutlak basınç, yaklaşık 33 derece doyma sıcaklığına karşılık gelir. Basıncı daha da düşürmek istersen, soğutma suyunun sıcaklığını düşürmen gerekir. Yaz aylarında nehir veya deniz suyu 28-30 dereceye çıktığında, kondenser vakumu bozulur ve türbin gücü yüzde 2-3 düşer. Kışın aynı kondenser, 8-10 derece soğutma suyuyla çalışır ve türbin nominal gücünün üzerine çıkar. Mevsim, kondenser üzerinden doğrudan elektrik üretimine yazılır.

Denge noktası nerede kaybolur

Kombine çevrim santrali, tasarım noktasında yüzde 60 verimle çalışır. Ama bu verim, belirli bir dış sıcaklık, belirli bir gaz kompresörü giriş sıcaklığı ve belirli bir yük seviyesi için geçerlidir. Yazın 35 derecede, gaz türbininin hava kompresörü daha az kütle akışı çeker ve güç çıkışı yüzde 10-15 düşer. Kışın 5 derecede aynı türbin, nominal gücünün üzerine çıkabilir.

O yüzden santral operatörleri, yaz aylarında giriş havasını soğutmak için evaporatif soğutucu veya absorpsiyonlu chiller kullanır. Bir diğer denge kaybı, kısmi yükte ortaya çıkar. Türbin yüzde 50 yükte çalışırken verim yüzde 60'tan yüzde 50'ye düşer.

Çünkü kazan ve türbin, tam yük için boyutlandırılmıştır. Kısmi yükte buhar sıcaklığı ve basıncı düşer, ikinci türbinin verimi azalır. Şebeke, yenilenebilir üretimin dalgalandığı saatlerde bu santrali yarı yüke çekmek zorunda kalır. Denge, sadece termodinamik değil, aynı zamanda piyasa dengesidir.

Kısmi yükün bir de yakıt tarafı vardır. Gaz türbini yüzde 50 yükte çalışırken, yaktığı gazın birim başına ürettiği elektrik düşer ama tükettiği yakıt tam yarıya inmez. Yüzde 50 yükte yakıt tüketimi yüzde 55-60 civarında kalır. Aradaki fark, türbinin kendi yardımcı yüklerinden ve düşen yanma veriminden gelir. 000 saatten az çalışacaksa, yatırımın geri dönüşü zora girer. Santral, sürekli tam yüke yakın çalışmak üzere tasarlanmıştır. Onu yarı yüke çeken her saat, verim eğrisinden aşağı doğru bir kaymadır.

Bir de soğuk çalıştırma maliyeti vardır. Santral durduğunda kazan ve türbin soğur. Yeniden devreye almak, kademeli ısıtma gerektirir. Kızdırıcı boruları, ani sıcaklık farkına dayanamaz. Soğuk başlatma, 4-6 saat sürer ve bu sürede tesis elektrik üretmez ama yakıt yakar. Sıcak başlatma ise 1-2 saatte tamamlanır.

O yüzden santral operatörü, kapatma kararını verirken bir sonraki başlatmanın maliyetini de hesaplar. Şebeke frekansı düştüğünde hızlı devreye girmek isteyen operatör, tesisin sıcak kalmasını tercih eder.

Piyasa Hafızası - 2003'te Baglan Bay'da bir rekor

2003 yılında, Birleşik Krallık'ta Galler'in Baglan Bay bölgesinde GE'nin H System adlı gaz türbini devreye alındı. Türbin, 9H sınıfı olarak bilinen ve egzoz sıcaklığını 600 derecenin üzerine çıkaran ilk nesildi. Amaç, kombine çevrim verimini yüzde 60 sınırının üzerine taşımaktı. Tesis, tek bir gaz türbini ve onun egzozunu besleyen bir buhar döngüsüyle çalışıyordu. İlk yıllarda beklenen verim yakalanamadı. Kızdırıcı borularında termal yorulma çatlakları görüldü ve tesis sık sık plan dışı duruşa girdi.

Baglan Bay, ticari bir başarı olarak değil, bir teknoloji gösterimi olarak hatırlandı. Ders şuydu. Verim rekoru kırmak, o verimi yıllarca kesintisiz sürdürmekten çok daha kolaydır. Malzeme ömrü, termal çevrim sayısı ve bakım aralığı, kağıt üstündeki yüzde 60'ı gerçek hayatta yüzde 55'e çeker.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, 500 megavatlık bir kombine çevrim santralinin bir yıllık temsili ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablo, gaz fiyatı 12 dolar ve elektrik fiyatı 70 dolar seviyesinde santralin zarar ettiğini gösteriyor. Duyarlılık burada başlar. Gaz fiyatı 8 dolara düşerse, yakıt maliyeti 173 milyon dolara iner ve net sonuç 62 milyon dolar kara döner. Elektrik fiyatı 85 dolara çıkarsa, gelir 315 milyon dolara yükselir ve marj 30 milyon doları aşar. Yüzde 58 verim, bu iki fiyat arasındaki makasın dar olduğu piyasalarda santrali ayakta tutan tek kaldıraçtır. Verim yüzde 55'e düşse, aynı gazla 40 milyon dolar daha az gelir üretilir. Kombine çevrim dengesi, bu yüzden sadece bir mühendislik hedefi değil, bir finansal hayatta kalma koşuludur.

Dengeyi okuyan üç katman

Bir kombine çevrim santralini anlamak, üç ayrı katmanı aynı anda okumayı gerektirir. Birincisi termodinamik katman. Egzoz sıcaklığı, buhar basıncı ve kondenser vakumu, verimin nerede kaybolduğunu söyler.

İkincisi malzeme katmanı. Kızdırıcı borularının alaşımı, baca gazı çiy noktası ve termal çevrim sayısı, tesisin kaç yıl dayanacağını belirler. Üçüncüsü piyasa katmanı. Gaz fiyatı, elektrik fiyatı ve kapasite faktörü, aynı fiziksel tesisi kara ya da zarara çevirir. Üç katmandan biri bozulduğunda, diğer ikisi onu kurtaramaz. Baglan Bay'da malzeme katmanı çöktü ve termodinamik başarı ticari başarıya dönüşemedi.

Bugünün santralleri, yüzde 60 verimi kağıt üstünde değil, 30 yıllık işletme ömrü boyunca tutmak için tasarlanıyor. Denge, tek bir noktada değil, o noktanın etrafındaki tolerans bandında yaşar.