Üçlü güç üretim (trijenerasyon) sistemlerinde ana güç üretim birimi seçimi ve sistem optimizasyonu
Power generation unit selection and system optimization in trigeneration systems
- Tez No: 621521
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLGÜN KAYAKUTLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hava Harp Okulu Komutanlığı
- Enstitü: Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
İnsan uygarlığının her safhasında enerji vazgeçilmez bir ihtiyaç olarak karşımıza çıkmıştır. Zamanla artan enerji ihtiyacının güvenilir ve çevre dostu bir şekilde karşılanması insanoğlunun temel sorunlarından birini teşkil etmektedir. Giderek artan nüfus enerji talebindeki artışı tetiklemektedir. Enerji ihtiyacının sürdürülebilir bir şekilde karşılanması aynı zamanda ciddi çevresel kaygıları da beraberinde getirmektedir. Çünkü özellikle fosil yakıtlara dayalı kullanılabilir enerji üretimi (elektrik, ısıtma, soğutma ve üretim süreçlerinde kullanılan enerji) doğayı zorlayan kirletici atıklar ortaya çıkarmaktadır. Bu kirlenmenin azaltılması amacıyla yenilebilir enerji kullanımı ön plana çıkarken çoklu enerji üretim sistemleri de olumsuz çevresel etkileri önlemede destek olarak görülmektedir. Bu anlamda verimliliği yüksek ve doğaya daha az zarar veren enerji üretim sistemleri üzerine bilimsel çalışmaların yoğunlaşması, bunun sonucu olarak yeni teknolojilerin hayata geçirilmesi kaçınılmaz olmaktadır. Günümüzde bu teknolojilere en güzel örnek, yenilenebilir enerji kullanımına ek olarak, çoklu güç üretim sistemleridir. Çoklu güç üretim sistemleri (kojenerasyon, trijenerasyon ve multijenerasyon) klasik üretim sistemlerine kıyasla yüksek verimlilik oranları, yüksek güvenilirlik düzeyleri ve düşük sera gazı salım oranları ile dikkat çekmektedir. Bu sistemlerin tasarımı ve optimum şekilde işletilmesi ise başlı başına bir problem teşkil etmektedir. Bu doktora tezi çalışmasında aynı anda üç enerji vektörü üreten trijenerasyon sistemleri için ana güç üretim birimi seçimi uygulaması yanında, küçük ölçekli bir sistem için tek amaçlı ve çok amaçlı optimizasyon modeli ortaya koyulmuştur. Tezin ikinci bölümünde verilen detaylı literatür taraması, trijenerasyon sistemlerinde seçim ve optimizasyon araştırmalarının geldiği noktayı ortaya koymaktadır. Ana güç üretim birimi seçiminde, Türkiye şartlarında kurulması planlanan 500 kW kurulu güce sahip bir sistem için olası 5 ana güç üretim birimi seçeneğinden en uygunu bulanık TOPSIS yöntemi ile belirlenmiştir. Olası ana güç üretim birimi seçenekleri; içten yanmalı motor, buhar türbini, gaz türbini, mikro türbin ve yakıt hücresi olarak karşımıza çıkmaktadır. Seçim sırasında kullanılan ölçütler, enerji literatüründe belirtilen genel ölçütlerden faydalanılarak ortaya koyulmuştur. Sistem seçiminde kullanılan ölçütler ve bu ölçütlere göre 5 seçeneğin kıyaslanması sonucunda en uygun seçeneğin içten yanmalı motor seçeneği olduğu görülmüştür. Çoklu güç üretim sistemlerinde en önemli parçayı oluşturan ana güç üretim birimi seçimi için yapılan çalışmayı takiben, trijenerasyon sistemi için tek amaçlı optimizasyon modeli önerilmiştir. Önerilen model gıda sektöründe faaliyet gösteren orta ölçekli bir üretim tesisinde kurulması düşünülen bir sistem için öngörülen talep verisi kullanılarak denenmiştir. Üç farklı üretim senaryosu için (en kötü, en iyi, en olası), beş farklı sistem modeli (geleneksel yöntemle karşılama, 3 içten yanmalı motor, 1 gaz türbini) üzerinden optimizasyon çalışması yapılmıştır. Modelin çözümünde Simplex yöntemi kullanılmıştır. Saatlik bazda bir yıllık talep öngörüsü, elektrik ve doğalgaz fiyatları, verim oranları ve sistem kapasiteleri problemin parametrelerini oluşturmaktadır. MS Excel Solver ile saatlik bazda çözülebilen problem, Visual Basic for Applications yazılımı ile yıllık bazda çözülerek sonuca ulaşılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre olası bütün trijenerasyon sistem seçenekleri, standart ayrık enerji ihtiyacı karşılama yöntemine göre daha düşük işletme maliyetine sahiptir. Yine olası sistemler içinde en düşük yıllık toplam işletim maliyeti 1,012 kW içten yanmalı motorla sağlanmaktadır. Sadece toplam işletme maliyetini dikkate alan tek amaçlı optimizasyon modeline, sera gazı salımını da dikkate alan bir amaç fonksiyonu eklenerek çok amaçlı bir optimizasyon modeli ortaya konulmuştur. Bu özgün model ile enerji üretimi alanında çalışma yapan araştırmacılar için çok amaçlı bir ölçümleme modeli kazandırılmıştır. Çok amaçlı optimizasyon problemi, yine bir önceki bölümde sunulan talep verileri ve parametreler kullanılarak çok amaçlı parçacık sürü optimizasyonu yöntemi ile çözülmüştür. Çok amaçlı parçacık sürü optimizasyonu bir çok gerçek hayat probleminin çözümünde etkin olarak kullanılmaktadır. Ancak yöntemin erken yakınsama ve çeşitlilik problemi gerçek çözüme ulaşmada bir engel olarak karşımıza çıkabilmektedir. Erken yakınsama ve çeşitlilik problemine özgün bir çözüm önerisi olarak, çok amaçlı parçacık sürü optimizasyonunda kullanılan mutasyon yöntemi yerine, rassal göçmenler yöntemi önerilmiştir. Literatür incelendiğinde, bilindiği kadarıyla rassal göçmenler yöntemi çok amaçlı parçacık sürü optimizasyonu algoritmasında daha önce hiç kullanılmamıştır. Test problemleri ve belirli ölçütler kullanılarak, rassal göçmenler yöntemi ile mutasyon kullanılan yöntem karşılaştırılmıştır. Ulaşılan sonuçlara göre rassal göçmenler yöntemi en az mutasyon yöntemi kadar etkili olmakla beraber çoğu test problemi için daha az koşum zamanları ile problemi çözmektedir. Test problemlerine ek olarak önerilen trijenerasyon problemi de çözülmüştür. Trijenerasyon probleminin çözümünde, mutasyon ve rassal göçmenler kullanılan çok amaçlı optimizasyon yöntemi yanında, diğer bir optimizasyon yöntemi olan NSGA-II algoritması da kullanılmıştır. Her üç yöntemde de benzer Pareto sınırı elde edildiği görülmüştür. Ancak NSGA-II algoritması, kullanılan parametrelerle diğer yöntemlere göre oldukça uzun koşum zamanlarına sahiptir.
Özet (Çeviri)
The most prominent factor in the course of human civilization has been energy. Meeting the growing demand for energy in a safe and environmentally responsible manner is an important challenge. Population growth triggers the increase in energy demand, and this growing energy demand effects not only fulfilling all energy related needs, but also environmental concerns come into prominence as well. Energy generation processes (e.g., generation of electricity, heating, cooling, and shaft work for transportation and other applications) emit pollutants, many of which are harmful to the nature. In this regard, it seems inevitable to conduct scientific research on developing highly efficient and nature friendly power generation technologies. Among these technologies, besides use of renewables, multigeneration processes stand out as a possibility for making important contributions due to their potential for high efficiencies as well as low operating costs and low greenhouse gas emissions. On the other hand, design of such systems and operating them optimally is a challenging problem itself. In this PhD thesis, firstly a selection procedure is applied in order to make a decision among different power generation unit alternatives, secondly both single objective and multiobjective optimization models are proposed for simple trigeneration systems. A very detailed literature review given in Chapter 2 reflects the body of knowledge in the field. A prime mover selection procedure is performed for a small trigeneration system (500~kW), among 5 alternatives, in Türkiye's market conditions. Fuzzy TOPSIS method is applied. The possible prime mover alternatives at hand are: internal combustion engine, steam turbine, gas turbine, micro turbine, and fuel cell. Selection criteria from the literature are used. Results suggest that the most appropriate alternative is the internal combustion engine. Following the selection procedure for the most important part of a trigeneration system, a mathematical model for the optimization is proposed. The proposed linear programming model is tested using actual demand data of a medium scaled production plant in food industry. Three different scenarios with respect to the production plan of the plant, namely the best, the worst, and the most probable case scenarios are used in order to compare standard energy purchasing concept with four system alternatives that consist of three internal combustion engine types, and a gas turbine. The linear programming model is solved using Simplex method. Yearly energy demand (in hourly manner), electricity and natural gas prices, and the capacities and efficiencies of system components are used as parameters. The problem is solved in hourly manner for a year, using MS Excel Solver and the VBA. Results show that the trigeneration systems are much more cost efficient compared with the standard concept. Additionally, among four system alternatives, 1,012 kW internal combustion engine gives the minimum annual total operational cost. Proposed single objective model, which considers only the annual total operational cost, is expanded by adding an environmental objective function, and the model is evolved into a multiobjective one. This novel optimization model can be used as a benchmark case for other researchers in the energy optimization field. This multiobjective model is solved using the same data that are given for single objective problem. An effective and well-known method namely Multiobjective particle swarm optimization is employed in order to get the Pareto-optimal solutions. Though multiobjective particle swarm optimization is accepted as a robust solver for multiobjective models, it has some drawbacks such as premature convergence and diversity preservation. To mitigate these two problems, some solutions like applying mutation have been widely used. In this thesis, a novel method for this algorithm, namely ``random imigrants'' is proposed instead of mutation. To the best of author's knowledge, this is the first attempt to use random immigrants technic on multiobjective particle swarm optimization. Mutation method and random imigrants method are compared each other using benchmark problems with respect to some performance criteria used in related literature. Results indicate that the random imigrants method is as effective as mutation operator, and in some cases it outperforms the mutation operator especially on run times. In addition to the test problems, the trigeneration system problem is solved using two methods. Moreover, the problem is solved using another robust multiobjective solver as well, namely NSGA-II. Similar Pareto-fronts are produced with all three algorithms, but the NSGA-II method has fairly longer solution times with given parameters.
Benzer Tezler
- Bir üçlü üretim sisteminin termoekonomik analizi
Thermoeconomic analysis of a trigeneration system
YAKUP ŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER KAYNAKLI
- Bir kamu binasının mevcut klima ve güç tedarik sistemlerinin toplam karbon ayakizinin incelenmesi ve ekserji tabanlı optimum bir sistem önerisi ile mukayesesi
Examination of the total carbon footprint of the existing air conditioning and power supply systems of a public building and comparison with an optimal exergy-based system proposal
ABDULLAH BUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiOSTİM TEKNİK ÜNİVERSİTESİMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİROL KILKIŞ
- Ce1-x-ySmxHoyO2 seramik elektrolitlerin sol-jel yöntemi ile sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of Ce1-x-ySmxHoyO22 ceramic electrolytes by sol-gel method
AHMET HAMDİ BAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HANDAN ÖZLÜ TORUN
- Nano boyutlu modifiye katalizörler üzerinde alkollerin elektrooksidasyonu
Electrooxidation of alcohols on nanosized modified catalysts
MÜGE CİVELEKOĞLU ODABAŞ
- Bir medeniyet projesi olarak neoliberal küreselleşme: Robert W. Cox'un teorik yaklaşımı
Neoliberal globalization as a civilization project: Theorotical approach of Robert W. Cox
ELİF BENGİ AKKUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Siyasal BilimlerUludağ ÜniversitesiKamu Yönetimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ YAŞAR SARIBAY