Isı değiştirmenin gerçekleştiği kazanlarda (boiler), flue gazın
kaçmasını önlemek için bir basınç sistemi bulunur. Isı transferinin maksimum
olması için boilerler, su-buhar karışımını taşıyan çok sayıda tüpten
oluşmuştur. Bu tüpler, boilerin tepesindeki buhar-dağıtım dramlarının ve
dibindeki su-toplama dramlarının aralarından geçer. Buhar, buhar dağıtım
sistemine girmeden önce buhar dramından süper ısıtıcıya akar.
Su sabit basınç altında ısıtıldığında kaynayıncaya kadar
sıcaklığı yükselir. Buharlaşan suyun sıcaklığı, buharlaşma süresince sabit
kalır. Her basınca uygun bir kaynama sıcaklığı vardır; buna "doygunluk
sıcaklığı" denir. Örneğin,14.7 psi (1 atm.) basınçta suyun doygunluk
sıcaklığı 212 0F (100 0C) tır. 14.7 psi ve 70 0F
daki su doygun değildir, doygun olabilmesi için 212 0F a kadar
ısıtılması gerekir.
Doygunluk sıcaklığında su içermeyen buhara "doygun
(saturated) buhar" denir. Susuz ısınmış buhara ısı ilave edilirse
sıcaklığı yükselir ve "aşırı doygun (super-heated) veya "kızgın
buhar" haline geçer.Aşırı doygun buharın özelliği sıcaklık ve basıncıyla
belirtilir. Ancak, doygunluk sıcaklığındaki bir buhar kuru olabilir (susuz)
veya az miktarda su içerebilir.Bu gibi ıslak buharı tanımlamak için basıncı ve
kalitesi belirtilmelidir:
kuru buhar ağırlığı
kalite = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ şeklinde verilir.
kuru buhar ağırlığı + su ağırlığı
Belirli bir sıcaklıktaki su, bu sıcaklığın karşıladığı
basıncın üstünde bir basınçta tutulabilir; örneğin 212 0F daki
su,14.7 psia yerine 200 psia gibi bir basınca getirilebilir.
Buna"sıkıştırılmış su" denilmektedir. Sıkıştırılmış suyun bir
özelliği, ısı ilavesiyle buharlaşma olmadan sıcaklık yükselmesi
sağlanabilmesidir. Sıcaklıktaki yükselme, uygulanan yüksek basınçtaki doygunluk
noktasına kadar sürer.
1. Besleme Suyu (feed water)
Buhar üretimin önemli bir kısmı besleme suyu (feed water)
ikmalidir. Sisteme ne kadar çok su girerse, o kadar fazla buhar çıkar. Buhar
üretiminde kullanılan su, mineraller ve çözünmüş safsızlıklar gibi
kirliliklerden arındırılmış olmalıdır; bunlar, sistemi arızalandırır veya
operasyonu etkileyebilir. Asılı (süspansiyon) maddeler ve yağ, sistemde
çizikler ve tortu oluşmasına sebep olacağından, koagülasyonla veya süzerek
atılmalıdır.
Çözünmüş gazlar, özellikle karbon dioksit ve oksijen kazanda
korozyona neden olacağından hava giderme (deaerasyon) ve işlemlemeyle
uzaklaştırılır.
Çözünmüş mineraller (metalik tuzlar, kalsiyum, karbonatlar,
v.s., gibi) çiziklere, korozyona ve türbin kanatlarında kalıntılara sebebiyet
vereceğinden kireç veya soda külüyle işlem yapılarak sudan ayrılır.
Sirkülasyona döndürülen soğuk su da hidrokarbonlar ve diğer kirlilikler
nedeniyle temizlenmelidir.
Ham kazan besleme suyunun özelliklerine bağlı olarak,
“berraklaştırma, çöktürme, süzme, iyon değiştirme, hava giderme (deaerasyon) ve
iç (dahili) işlemleme” olarak altı grupta toplanan işlemlemelerin tümü veya bir
kısmı uygulanabilir.
Şekil-1: Buhar
üretim sistemi
2. Isıtıcı-Yakıt
Isıtıcılar, tek bir yakıt veya birkaç yakıttan oluşan
karışımlar kullanır; bunlar arasında rafineri gazları, doğal gaz, fuel oil ve
toz kömür sayılabilir. Rafineri atık gazı (off-gaz) proses ünitelerinden
toplanır ve bir yakıt-gazı dengeleme dramında doğal gaz ve LPG ile
birleştirilir. Denge dramı sabit sistem basıncını sağlar, ayrıca, gaz
buharlarındaki aslı sıvı taneciklerinin otomatik olarak ayrılmasını ve dağıtım
sistemi içine iri kondensat damlalarının taşınmasını engeller.
Fuel oil, tipik olarak hampetrolden doğrudan çekilen ham yağ
ile parçalanmış (krak) residular ve diğer ürünlerin bir karışımıdır. Fuel-oil
sistemi, proses ünitelerinin ısıtıcılarına ve buhar jeneratörlerine, istenilen
sıcaklık ve basınçta yakıt verir.
Fuel-oil sistemi pompalanma sıcaklığına kadar ısıtılır, kaba
bir süzme yapıldıktan sonra bir sıcaklık-kontrol ısıtıcısına verilir ve sonra
ince bir eleme sisteminden geçirilerek yanmaya gönderilir. Örneğin, katalitik
kraking ünitelerinde karbon monoksit boilerlerde, flue gazdaki karbon
monoksitten, tam yanmayla ısı elde edilir. Diğer proseslerde atık-ısı geri kazanma
üniteleri buhar elde ederken flue gazın ısısını kullanırlar.
3. Buhar Dağıtımı
Sanayi tesislerinde buharın kullanım çevrimi, şematik olarak Şekil-2’de gösterilmiştir. Tesislerin genel enerji dengeleri çoğunlukla bu gibi şematik çevrimler üzerinde hesaplanarak kurulur ve sonra detaylandırılır.
Modern Petrokimya ve Rafineri tesislerinde, fabrikaların
ihtiyacı olan buharın üretilmesi dışında, ihtiyaç olan enerji seviyesinin
üzerine buhar üretilerek fazla buhardan elektrik elde edilir. Burada
söylenenler, fabrika buhar dengesi şemasından (Şekil-2) kolayca görülür.
Kazandan üretilen buhar yüksek enerji seviyesindedir. Mesela p = 100 atm, t =
480 0C gibi, yani elektrik üretimine elverişli yüksek basınçlı ve
yüksek sıcaklıklı kızgın buhardır. Bu buhar elektrik türbinine gönderilip
elektrik üretilirken, türbinin muhtelif noktalarından da fabrikalarda
kullanılacak buhar alınır.
Çok yüksek basınçtaki buhar enerjisi ile, türbinden çekilen (alınan) buharın enerji seviyesi arasındaki fark, enerji elektrik üretiminde kullanılmış demektir. Tabii bu dönüşüm her çevrimde olduğu gibi belli bir verimle gerçekleşir. Fabrikalara gerekli proses buharı böylece daha ekonomik elde edilmiş olur.
Türbinlerin çoğunda bir de yoğunlaştırıcı bulunur.
Fabrikaların ihtiyacı olmayan ancak kazanlarda üretilmiş buharın enerjisinden
tümüyle yararlanmak için buhar yoğunlaştırılır. Yoğunlaşma sırasında sıcaklık
100 0C'nin altına düşürüldüğünde, dışarıyla (atmosfer ile) temas da
kesilmişse, vakum yaratılmış olur. Örneğin, p = 1 in Hg (25.4 mm Hg) mutlak
basınç altında bulunan suyun sıcaklığı 26 0C dir. Oysa p = 1.4 kg/cm2g
basınçtaki doymuş buharın ve suyun sıcaklığı 110 0C dir.
Fabrikalarda ısıtma işlemlerinde, mekanik enerji elde
edilmesinde, veya proseslerde doğrudan yahut dolaylı katılarak kullanılan
buharın mümkün olan miktarda geri kazanılmasına çalışılır. Geri kazanılan,
yoğunlaşmış buharlara kondensat adı verilir. Bazı fabrikalarda proses gereği
buhar da üretilebilir; bunlarda çevrime dahil edilirler. Kazan besleme suyu,
elektrik üretiminden gelen kondensat, fabrikalardan geri dönen kondensat, ve
ikmal suyu ısıtma için kullanılan buharın yoğunlaşması ile oluşan, sulardan
oluşur.
Dağıtım sistemi valflar, ekleme parçaları, borular ve
nakledilen buharın basıncına göre uygun bağlantılardan oluşur. Buhar kazanları,
proses üniteleri veya elektrik üretimi tarafından talep edilen en yüksek
basınçta terk eder; sonra, proses pompaları ve kompresörleri çalıştıran
türbinlerde buharın basıncı düşürülür. Rafineride kullanılan buharın çoğu,
çeşitli tiplerdeki ısı değiştiricilerde yoğunlaştırılır (su). Kondensat kazan
(boiler) besleme suyu olarak tekrar kullanılabildiği gibi, atık su işlemlemeye
de gönderilebilir.
Rafineri buharı, elektrik üretimi buhar türbin
jeneratörlerinin çalıştırılmasında da kullanılıyorsa, proses buharı için
gerekenden çok daha yüksek basınçlarda üretilmelidir. Buhar, bir ünitede
birleştirilmiş ısıtıcılar (fırınlar) ve kazanlar (boiler) sisteminde üretilir.
Buhar, basıncı ve sıcaklığına göre çeşitli simgelerle
tanımlanır; XHS buhar: 134 kg/cm2, 540 0C, HHS buhar: 84
kg/cm2, 310 0C, MHS buhar: 45 kg/cm2, 330 0C,
HS buhar: 42 kg/cm2, 392 0C, MS buhar: 18.5 kg/cm2,
300 0C, LS buhar: 5.5 kg/cm2, 195 0C.
Şekil-2:
Büyük bir sanayi tesisinde tipik bir buhar dengesi
Rankine Çevrimi
Basit güç
ünitelerinin ideal veya teorik çevrimi, Şekil-3’de görülen Rankine çevrimi
ile tanımlanır; sistem buhar kazanı, buhar türbini, kondenser (düşük basınçlı
buharı atmosfer basıncının altına yoğunlaştırır) ve buhar kazanına sıcak suyu
basan pompadan oluşur.
Şekil-3: Rankine
çevriminin akım diyagramı, (b) T – s diyagramı
|
Rankine Çevrimi
m = çevrimin kütle akışını
gösterdiğine göre (Şekil-3),
1 → 2: isentropik genleşme (buhar türbini) W·türbin = m (h1 - h2)
2 → 3: izobarik ısı çıkışı (kondenser) Q·çıkış = m (h2 - h3)
3 → 4: isentropik sıkıştırma (pompa) W·pompa = m (h3 - h4)
4 → 1: izobarik ısı girişi (kazan, buhar jeneratörü) Q·giriş = m (h1 - h4)
(1) Kazan ve Buhar Jeneratörü; buhar, yakıt enerjisi ile elde edilir.
İzobarik ısı
girişi: Kazana verilen ısı, Q·1
(kJ/sa),
Q·1
kJ/sa
Q·1
= m· (h1
– h4) Q1,
kJ/kg = ¾¾¾¾¾ = h1 – h4
m· kg/sa
(2) Türbin; türbinde buharın genişlemesiyle iş yapılır.
İsentropik
genleşme: Türbin işi, W·1
(kJ/sa),
W·1
kJ/sa
W·1
= m· (h1
– h2) W1,
kJ/kg = ¾¾¾¾¾ = h1 – h2
m· kg/sa
(3) Kondenser veya Yoğunlaştırıcı; yoğunlaştırıcıda eksoz buharı suya dönüştürülür.
İzobarik ısı
çıkışı: Kondenserden atılan ısı, Q·2
(kJ/sa),
Q·2
kJ/sa
Q·2 = m·
(h2 – h3) Q2,
kJ/kg = ¾¾¾¾¾ = h2 – h3
m· kg/sa
(4) Pompa; kazan besleme pompası kondensatı kazana döndürür.
İsentropik
sıkıştırma: Giren iş, W·2
(kJ/sa),
W·2
kJ/sa
W·2
= m·
(h4 – h3) W1,
kJ/kg = ¾¾¾¾¾ = h4 – h3
m· kg/sa
Çevrimden alınan net iş, Wnet = W1 – W2
Wnet
Rankine çevriminin termal verimi,
h = ¾¾
Q1
|
Sağlık ve Güvenlik
Sağlık: Güvenli çalışma eğitimleri verilmeli ve/veya
besleme suyu, kimyasal maddeler, buhar, sıcak su, radyant ısı, gürültü ve
proses örneği alma, kontrol etme, bakım ve programlı duruşlarda alınacak
önlemler ve koruyucu malzeme kullanımının önemi anlatılmalıdır.
Güvenlik: besleme suyu akışı yavaş ve kazanlar
kuruysa tüpler aşırı ısınır ve bozulur. Tersine, akış hızlı olduğunda fazla su
buhar dağıtım sisteminin içine girerek türbinleri bozar. Besleme suyu
operasyonları etkileyecek kirlilikler içermemelidir. Kazanlarda sürekli veya
aralıklarla çalışan boşaltma (blowdown) sistemleri bulunmalıdır; böylece, buhar
dramlarından suyun uzaklaştırılması ve türbin kanatlarında ve aşırı ısıtıcı
tüplerde tortu birikmesi azaltılır. Devreye alma ve devreden çıkarma sırasında
aşırı (süper) ısıtıcıları gereğinden fazla ısıtmamalıdır, gaz kaybı
olabileceğinden (acil durumlar da dahil) alternatif yakıt kaynakları hazır
bulundurulmalıdır. Yanmadan önce fuel gazdan sıvıları uzaklaştırmak
gerektiğinden proses ünitelerinde uygun ekipman bulunmalıdır.
