Modeling, optimization, and analysis of a combined heat and power plant with biomass gasification using aspen plus
Aspen plus ile biyokütle gazlaştırma kullanan bir kombine ısı ve enerji santralinin modellenmesi ve optimizasyonu
- Tez No: 916862
- Danışmanlar: PROF. DR. HANZADE AÇMA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, küresel sürdürülebilir enerji çözümleri arayışı açısından hayatî bir öneme sahiptir. Yenilenebilir ve karbon nötr bir kaynak olan biyokütle, düşük karbonlu enerji üretimi için umut verici bir yol sunmaktadır. Bu tez, biyokütle gazlaştırma yöntemini temel enerji dönüşüm süreci olarak kullanan bir kombine ısı ve elektrik santralinin modellemesine odaklanmakta ve özellikle Aspen Plus® yazılımı yardımıyla optimizasyona odaklanmaktadır. Modellenen santralin maksimum ısı ve elektrik üretimi sırasıyla net 150 MW ve 100 MW olarak hedeflenmiştir. Farklı mevsim ve işletme koşullarında hedeflenen bu değerlere göre santralin hangi parametrelerde çalıştırılması gerektiği belirlenmiş olup verimliliği artırılırken bir yandan da yakıt tüketimi en aza indirilmiştir. Çalışma, biyokütle gazlaştırma teknolojisinin kapsamlı bir şekilde incelenmesiyle başlamakta ve biyokütle kaynağını sentez gazı olarak bilinen yakıta dönüştürmenin önemine vurgu yapmaktadır. Sentez gazı, kombine ısı ve elektrik üretimi için çok yönlü bir öncül olmasının yanı sıra, bu sistemlerinin entegrasyonunu sağlayarak enerji verimliliğini artırır. Gazlaştırma sürecinden önce biyokütlenin kurutma süreci detaylı bir şekilde incelenmiştir. Biyokütledeki nemin, gazlaştırma süreci ve sentez gazının bileşimi üzerindeki etkilerine göre kurutma süreci optimize edilmiştir. Gazlaştırıcının operasyon koşulları da besleme havası ve buhar enjeksiyonuyla birlikte incelenip Aspen Plus'ta bulunan tasarım şartı ve hassasiyet analizi yöntemleriyle sentez gazı açısından optimum koşullar sağlanmıştır. Ardından Aspen Plus kullanılarak modelleme kapsamı belirtilmekte ve tesisin genelindeki termodinamik prensipler ve süreçler açıklanmaktadır. Simülasyon platformu, kombine ısı ve elektrik santralindeki karmaşık süreçlerin temsilini kolaylaştırarak detaylı bir analiz ve optimizasyonu mümkün kılmaktadır. Tesisteki diğer ana ekipmanlar olan gaz türbini, buhar türbini, atık ısı kazanı ve kondenserin yatışkın hâl modelleri oluşturulurken birden fazla operasyon parametresinin hem ekipmanlar hem de tesisin geneline olan etkileri irdelenmiştir. Gazlaştırıcıda üretilen sentez gazı, öncelikle belli bir sıcaklık değerine düşürülerek hem atık ısı kazanının yardımcı yakma sistemine hem de gaz türbinin ateşleme sistemine beslenmektedir. Biyokütle gazlaştırma ve genel olarak kombine ısı ve elektrik santrallerinin modellendiği diğer çalışmalarda, gaz türbininin operasyon parametrelerinin gerçekleştirilebilir olup olmadığı genellikle göz ardı edilmektedir. Fakat bu konu büyük önem arz etmektedir zira gaz türbinleri standart üretim ekipmanlar olup imâl eden firma tarafından belirlenmiş işletme parametrelerine sahiptir. Dolayısıyla bu çalışmada ticari bir gaz türbini seçilip bu türbinin çalışma koşullarının sağlanması hedeflenmiştir. Bunu sağlamak için Aspen Plus'ın optimizasyon özellikleri kullanılmıştır. Gaz türbininin erişime açık olan egzoz gazı sıcaklığı, yakıt basıncı vb. işletme değerleri isabetli bir şekilde sağlandıktan sonra tesisteki diğer ekipmanlar modellenmiştir. Sentez gazının yakıt olarak kullanılmak üzere beslendiği diğer ekipman olan atık ısı kazanı, buhar-su döngüsü için kritik önem arz etmektedir. Tesisin ısı ve elektrik üretimi için hedeflenen değerlere ulaşmak için atık ısı kazanına sentez gazı beslenerek yardımcı yakma sistemiyle ek bir ısı üretimi sağlanmaktadır. Tesisteki diğer ısı değiştiriciler ve ekipmanlardan geri kazanılan atık ısı, kazanda toplanarak yüksek basınçlı buhar üretimi sağlanmaktadır. Dolayısıyla kazanın ısıl yükü, santralin çalışma koşulları ile ısı ve elektrik üretimi değerlerine bağlıdır. Atık ısı kazanında geri kazanılan ısıyla üretilen yüksek basınçlı buhar, buhar türbininin yüksek basınç kademesine beslenir ve gaz türbinine ek elektrik üretimi sağlanır. Yüksek basınçlı buhar türbininde düşük basınçlara kırılan buhar, bu sefer de düşük basınç kademesine gönderilerek yoğuşma koşullarına yakın çürük buhar olarak çıkar. Çürük buhar ise kondenserde tamamen sıvı faza geri dönerek atık ısı kazanına beslenmektedir. Ana ekipmanları bu şekilde sıralanabilecek olan buhar-su döngüsünün verimliliği, buhar türbininin işletme koşullarına bağlı olduğu gibi kondenser ve atık ısı kazanının ısıl dengesine de bağlıdır. Buhar-su döngüsünün enerji verimliliğinin artırılması için buharın debisi yüksek basınçlı buhar sıcaklığının yakalanması için optimize edilmiştir ve buna göre buhar türbininin karşı basıncı da kondenserde kaybedilecek ısı en aza indirilecek şekilde ayarlanmıştır. Kondenserde yoğuşan çürük buhardan elde edilen ısı, santralin çalıştırıldığı mevsime göre farklı şekilde sistemden uzaklaştırılmaktadır. Kondenserde atılması gereken ısıl yük, mevsim kış ise bölgesel ısıtma sistemine verilirken, bölgesel ısıtmanın gerekli olmadığı yaz mevsiminde bir su soğutma kulesiyle atmosfere atılmaktadır. Kış ve yaz mevsiminde kondenser yükünün optimizasyonu, düşük basınçlı buhar türbininin çıkış basıncına göre optimize edilmiştir. Kombine ısı ve elektrik santralinde bulunan bu ana üniteler haricinde tesisin ısı ve kütle dengesini sağlayan başka ekipmanlar da bulunmaktadır. Bunlara örnek olarak bölgesel ısıtma suyu pompası, kazan besleme suyu pompası, tesis içindeki diğer ısı değiştiriciler ve hava kompresörü örnek olarak verilebilir. Bu yardımcı ekipmanlar da tesisin ısı ve elektrik üretimi hedeflerine göre modellenmiş olup tükettikleri ısı veya elektrik enerjisi modelin optimizasyon hesaplamalarına dahil edilmiştir. Sistematik simülasyon tekrarları aracılığıyla, gazlaştırıcıya beslenen biyokütlenin bileşimi, gazlaşma sürecinin işletme koşulları ve buhar türbini basınçları gibi tesis performansını etkileyen çeşitli parametreler araştırılmıştır. Bu faktörlerin santralin ısı ve elektrik üretimi, sentez gazı bileşimi ve enerji verimliliği gibi ana performans göstergeleri üzerindeki etkileri ayrıntılı bir şekilde değerlendirilmiştir. Ayrıca kombine ısı ve elektrik tesisinin genel enerji üretimini ve net verimliliğini maksimuma ulaştırmak için de optimizasyon teknikleri uygulanmıştır. Uygulanan çok amaçlı optimizasyon algoritmaları, birbiriyle çakışan amaçlar arasında bir denge sağlamak için servis akımı tüketimini ve verimsizlikleri en aza indirirken, ısı ve elektrik üretimini de maksimuma ulaştırmaktadır. Santralin net ısı ve elektrik üretimi hedefleri sağlanırken bir yandan da tüketilen yakıt miktarının en aza indirilmesi için Aspen Plus'ın optimizasyon metotları kullanılmıştır. Bu sayede her işletme koşulunda en az yakıt kullanılarak hedeflenen ısı ve elektrik üretim değerlerine ulaşılmıştır. Bu çalışma, gazlaştırma sürecini detaylı bir şekilde inceleyerek, bu alandaki diğer çalışmalardan farklı olarak gerçekte var olan bir gaz türbini seçimi yaparak ve süreç optimizasyonuyla santralin enerji verimliliği hakkında dikkate değer içgörüler sağlayarak biyokütle tabanlı kombine ısı ve elektrik santrallerinin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Aspen Plus simülasyonlarıyla belirlenen optimize edilmiş tesis konfigürasyonu ve işletme parametreleri, gerçek biyokütle gazlaştırma tesislerinin tasarımı ve işletmesi için pratik bir kılavuz niteliğindedir. Sonuç olarak, bu tez, Aspen Plus'ın biyokütle tabanlı kombine ısı ve elektrik santrallerinin modellemesi ve optimizasyonu için güçlü bir araç olarak etkililiğini göstermektedir. Biyokütle gazlaştırmanın kombine ısı ve elektrik üretimi sistemleriyle entegrasyonu, sürdürülebilir enerji üretimi için büyük potansiyel taşımakta, iklim değişikliğini hafifletmek ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak için bir yol sunmaktadır. Gelecekteki araştırmalarda, önerilen modellerin deneysel olarak doğrulanması ve daha gelişmiş bir tesis işletmesi için ileri kontrol stratejilerinin araştırılması gibi konular ele alınabilir.
Özet (Çeviri)
The utilization of renewable energy sources is paramount in the global pursuit of sustainable energy solutions. Biomass, as a renewable and carbon-neutral resource, presents a promising avenue for energy generation. This thesis focuses on the modelling of a Combined Heat and Power (CHP) plant employing biomass gasification as its primary energy conversion process, with a particular focus on optimization with the aid of Aspen Plus® simulation software. The study begins with a comprehensive review of biomass gasification technology, emphasizing its significance in converting biomass into a gaseous fuel known as syngas. This syngas serves as a versatile precursor for power generation and heat production, enabling the integration of CHP systems for enhanced energy efficiency. Subsequently, the modelling framework using Aspen Plus is delineated, explaining the thermodynamic principles and processes involved in the overall plant. The simulation platform facilitates the representation of complex processes within the CHP plant, allowing for detailed analysis and optimization. Through systematic simulation experiments, various parameters influencing plant performance are investigated, including feedstock composition, gasifier operating conditions, and integration schemes for heat and power generation. The impacts of these factors on key performance indicators such as heat and power generation, syngas composition, and efficiencies are rigorously assessed. Furthermore, optimization techniques are applied to maximize the overall efficiency and energy output of the CHP plant. Multi-objective optimization algorithms are employed to achieve a trade-off between conflicting objectives such as minimizing utility consumption and inefficiencies while maximizing heat and power output. The findings from this study contribute to the advancement of biomass-based CHP systems by providing insights into process optimization and performance enhancement. The optimized plant configuration and operating parameters identified through Aspen Plus simulations offer practical guidance for the design and operation of real-world biomass gasification plants. In conclusion, this thesis demonstrates the efficacy of Aspen Plus as a powerful tool for modelling and optimizing biomass-based CHP plants. The integration of biomass gasification with CHP systems holds immense potential for sustainable energy generation, offering a pathway towards mitigating climate change and reducing dependence on fossil fuels. Future research directions may involve experimental validation of the proposed models and further exploration of advanced control strategies for enhanced plant operation.
Benzer Tezler
- Doğalgazla çalışan bir kombine çevrim santralın tasarımı, optimizasyonu ve enerji verimliliği
Design, optimization and energy effeciency of a natural gas combined cycle power plant
MURAD A. RAHİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
EnerjiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DURMAZ
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Trijenerasyon sistemlerinin modellenmesine yönelik yeni bir yaklaşım: Bir üniversite uygulaması
A new approach for the modelling of trigeneration system: A university applications
KEZBAN BULUT
Doktora
Türkçe
2016
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLGÜN KAYAKUTLU
- Sürekli tip cam ergitme fırınları için hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı indirgenmiş model geliştirilmesi
Development of a computational fluid dynamics based reduced order model for continuous glass melting furnaces
ENGİN DENİZ CANBAZ
Doktora
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT GÜR
- Design and optimization of a high-power density multi-level totem pole power factor correction converter
Yüksek güç yoğunluklu çok seviyeli totem pole güç faktörü düzeltme dönüştürücüsünün tasarımı ve optimizasyonu
ENİS BARIŞ BULUT
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
DR. SERKAN DÜŞMEZ