Bir gaz türbininin egzoz gazı ısısı kullanılarak sistemin genel verimliliğini artırmak için yeni nesil atık ısı geri kazanımı ve güç sistemlerinin tasarımı, optimizasyonu ve ekserji analizi

Abstract

Bu çalışmada ilk olarak 500 ºC’lik bir atık ısıya sahip doğal gaz destekli gaz türbini tabanlı kojenerasyon sistemi bir yıl boyunca aylık olarak gerçek sistem parametreleri kaydedilmiş ve deneysel verilerle teorik hesaplar aylık bazda karşılaştırılmıştır. Ardından yeni nesil atık ısı geri kazanım sistemleri olan Kalina ve organik Rankine çevriminin içinde bulunduğu, ana taşıyıcının gaz türbini olduğu üç farklı kombine çevrim senaryosu tasarlanmıştır. İlk senaryoda sırasıyla gaz türbini (GT), buharlı Rankine çevrimi (RC) ve organik Rankine çevriminden (ORC) oluşan kombine güç çevrimi analiz edilmiştir. İkinci senaryoda, ilk senaryodaki ORC sisteminin yerine amonyak-su karışımıyla çalışan Kalina çevrimi (KC) sistemi entegre edilmiştir. Üçüncü senaryoda GT ana taşıyıcı, KC ve ORC sırasıyla alt sistem olarak kullanılmıştır. Son olarak üç senaryo için Spesifik Ekserji Maliyet Yönteminin (SPECO) uygulandığı eksergoekonomik analiz gerçekleştirilmiştir. Her bir senaryonun ekonomik parametreleri detaylı olarak incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Çalışmanın sonucunda, hem enerji ve ekserji analizine göre hem de ekonomik bulgular bakımından KC-ORC’nin entegre edildiği GT-KC-ORC sisteminin en iyi kombine güç sistemi olduğu ortaya çıkmıştır. GT-KC-ORC kombine sisteminin net güç, termal ve ekserji verimleri sırasıyla 2983,57 kW, %48,32 ve %47,39 olarak hesaplanırken sisteme entegre edilen KC ORC’nin geri ödeme süresi 1,99 yıl olarak bulunmuştur.

In this study, firstly, the real system parameters (temperature, pressure, power generation and fuel consumption etc.) of the natural gas based gas turbine-based trigeneration system with waste heat of 500 ºC were recorded monthly for a year and the experimental data and theoretical calculations were compared with each other on a monthly basis. Then, three different combined cycle scenarios were designed, including Kalina and organic Rankine cycles, which are novel generation waste heat recovery systems, in which gas turbines are used as the main carrier. In the first scenario, the combined power cycle consisting of the gas turbine (GT), steam Rankine cycle (RC) and organic Rankine cycle (ORC) is analyzed. In the second scenario, the Kalina cycle (KC) system working with an ammonia-water mixture was integrated instead of the ORC system in the first scenario. In the third scenario, GT is used as main carrier and KC and ORC are used as subsystems, respectively. Finally, exergoeconomic analysis was carried out for three scenarios where the Specific Exergy Cost Method (SPECO) was applied. The economic parameters of each scenario were examined in detail and compared. As a result of the study, it has been revealed that the best combined power system in terms of both energy and exergy analysis and economic findings is GT-KC-ORC in which KC-ORC is integrated. Net power, thermal and exergy efficiencies of the GT-KC-ORC combined system were calculated as 2983.57 kW, 48.32% and 47.39%, respectively, while the payback period of the KC-ORC integrated into the system was found to be 1.99 years.