Proses ve Enerji Sektörüne Yönelik Sistem Simülasyonları
12-05-2020

Proses ve Enerji Sektörüne Yönelik Sistem Simülasyonları

Günümüzde mühendislik simülasyonları ürün geliştirme alanlarında hemen hemen tüm sektörlere nüfuz etmiş bulunmaktadır. Rekabetçi piyasada ayakta kalabilmek ya da standartları yükseltmek için, en maliyet etkin çözümler simülasyona dayalı yapılan geliştirme çalışmaları ile sağlanmaktadır. Mühendislik simülasyonlarının, herhangi bir ürünün ya da sistemin konsept tasarımından başlayıp son halini alana kadar her noktasında tasarım belirleyici rol oynadığını söylemek yanlış olmaz. Ayrıca simülasyonlar mühendislerin, tasarım parametrelerinin değişiminden geliştirdikleri ürün ya da sistemin performansının nasıl etkilendiğini anlamlarına, yani ürünlerini tam manasıyla bilmelerine, olanak sağlamaktadır.

Mühendislik simülasyonları amacına göre ürün (komponent) ya da sistem seviyesinde olabilir. Ürün seviyesindeki simülasyonlar daha çok detay bilgi sağlayan 3 Boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD), Yapısal Mekanik ya da Elektromanyetik ana alanlarındaki analizlerdir. Sistem seviyesinde ise incelenen konu ve gereken ve üretilen bilgiler farklıdır. Sistem seviyesinde, sistemi oluşturan farklı komponentlerin sistem performansına etkisi ya da sistemin farklı çalışma şartlarında davranışı esas ilgi  odağı olur. Sistem seviyesindeki analizler elektromekanik sistemler ya da termal/hidrolik sistemler için gerçekleştirilebilir. Bu tarz sistemler, havacılık ve otomotivden tutun da, denizcilik, enerji ve kimyasal proses alanlarına kadar bir çok noktada karşımıza çıkar.  Özünde hepsi aynı temel prensiplere dayanmakla birlikte problemin ölçeği küçük bir elektronik sistem boyutundan kilometrelerce uzunluktaki bir doğal gaz boru hattına kadar değişebilir. Bu yazısının konusu kimyasal proses ve enerji sektörlerindeki termal/hidrolik sistemlerin 1B boyutlu simülasyonlarıdır. Benzer uygulamalar denizcilik sektörleri için de geçerlidir.

PROSES ve ENERJİ SEKTÖRLERİ

Kimyasal proses tesisleri ile fosil yakıtlı enerji santralleri başta olmak üzere birçok endüstriyel tesiste iş ya da dönüşüm yapan, verimliliği kritik olan motor, jeneratör, türbin, reaktör, fırın gibi akışkan sistemlerin bulunduğu ana ekipmanlar vardır. Bu ekipmanlar ihtiyaç duydukları enerji dönüşümünü yapabilmeleri için genellikle çok sayıda yardımcı sistem ihtiyaç duyarlar. Bu yardımcı sistemler birbirlerine ve ana ana ekipmanlara içinden sıvı, gaz/buhar ya da her ikisi birden geçen uzun boru hatları ile bağlıdır. Bu boru hatları üzerlerindeki vanalar, ısı eşanjörleri,  kompresörler, pompalar gibi diğer ekipmanlarla bir sistem oluşturur. Bu sistemlerin besledikleri ana ekipmanların verimli çalışabilmesi için,  öncelikle bu sistemlerin doğru tasarlanmış olması gerekir. Söz konusu sektörler tehlikeli sınıfta bulunduklarından, tasarımın endüstriyel standartlara göre yapılmış olması, sistemin güvenli çalışabilmesi açısından son derece önemlidir. Bu standartlar bizlere boru içindeki akış hızından, sistemin basıncına, işletme şeklinden, bakım sıklığına kadar bir çok alanda yol gösterir. Tasarım yapılırken, sistemin her çalışma koşulunda bu standartları karşıladığından emin olunması gerekir.

Söz konusu sektörlerde tasarımın kalbinde proses geliştirme ve kontrol ile, termodinamik ve termal/hidrolik hesaplamalar olduğunu söylemek yanlış olmaz. Diğer alanlar, bu hesaplamalara göre çalışacak sistemin güvenli çalışmasını sağlamasına yardımcı olurlar.

Kimyasal proses tesisinde veya enerji santrallerinde karşımıza çıkabilecek genel sistemler şöyledir:
Soğutma suyu çevrimi (açık ya da kapalı çevrim)
- Buhar hattı
- Yakıt sistemi
- Basınçlı hava/gaz ve boşaltım sistemleri
Yağlama sistemi
- Yangın söndürme sistemi

Yukarıdaki listeden de anlaşılacağı gibi hem gaz hem de sıvı boru hatları bu tarz tesislerde mevcuttur. Ayrıca bu akışkanları sistem basacak pompa ve kompresör istasyonları vardır. Yüzlerce metre uzunluğunda, çok sayıda ekipman ve  enstrümantasyondan oluşan bu sistemlerin doğru tasarlanmış olmaları, hem kendi performansları hem de arayüzü olan diğer sistemlerin performansı açısından kritik öneme haizdir.

Bu sistemler için gerçekleştirilebilecek sistem analizleri daimi koşulda (ing. steady state) ve zamana bağlı (ing. transient) başlıkları altında toplanabilir. Her iki analiz tipinde de 1 boyutlu akış ve ısı transferi denklemleri çözülerek sistemdeki basınçlar, akış ve sıcaklık dağılımları hesaplanır.

Daimi koşul analizleri ve zamana bağlı analizler farklı amaçlarla kullanılmakta olup, bir sistemin güvenli ve tam otomatik modda çalışabilmesi, iki analiz grubununda gerçekleştirilmesi  ve tasarım kararlarının buna uygun olarak alınması sonucunda mümkün olur. Unutmayalım ki, söz konusu tesislerde devreye alma, farklı koşullarda çalıştırma, planlı devreden çıkarma ya da beklenmedik şekilde devreden çıkma (örneğin bir pompanın aniden durması) gibi durumlar oluşabilir. Tasarım ancak bir durum incelendikten ve gerekli adımlar atıldıktan sonra nihaileştirilmelidir.

Aşağıda daimi koşul ve zamana bağlı analizlerin hangi amaçlar için gerçekleştirildiği belirtilmektedir.

Daimi Koşul Analizleri
- Açık ve kapalı çevrim akış ve ısı transferi analizleri
- Sistem performansı değerlendirmesi
- Boru çapı ve et kalınlığı, izolasyon, pompa, vana,  eşanjör boyutlandırma, seçimi ve optimizasyonu
- Pompa İstasyonu Konfigürasyonu Analizi
Akış dengeleme

Zamana bağlı analizler
-
Sistem hazırlama (ing. priming), pompa durması (ing. pump trip), kompresör/pompa devreye alma / devreden çıkarma
- Gaz Basıncı Boşaltma Çalışması
- Vana Kinematiği, basınç dalgalanması (ing. pressure surge) hesabı ve önleme metotlarının değerlendirilmesi
- Kontrol devreleri modellemesi

Örnek Konu: Kapalı Çevrim Soğutma Sistemi
Tipik bir kapalı çevrim soğutma suyu sistemi incelemesi analizlerin kullanımını daha rahat anlamamıza yardımcı olabilir. Aşağıdaki şekilde tipik bir kapalı çevrimi soğutma suyu sistemini görebilirsiniz.

 



Bu sistemde denizden alınan su bir eşanjör vasıtasıyla, kapalı çevrim soğutma suyunu soğutmaktadır. Kapalı çevrimdeki soğutma suyu ise farklı ekipmanlara pompa ile basılmakta ve soğuttuktan sonra tekrar eşanjöre gelmektedir. Eşanjörde soğuyan su, aynı döngüye devam etmektedir.

Böyle bir sistemin tasarımında dikkat edilmesi gereken ana hususlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:

  1. Atılacak toplam ısı miktarı ve buna karşı gerekecek su debisi
  2. Boru çapları, sistem direnci ve bu direnci yenecek pompa(lar) ve bağlantı şekli
  3. Soğutmayı sağlayacak eşanjör kapasitesi
  4. Sistemin çalışmasını sağlayacak vanalar ve tipleri
  5. Kontrol devreleri ve enstrümantasyon

Yukarıdaki ilk dört madde aslında ekipman boyutlandırma ile ilgilidir ve daimi koşul analizleri ile büyük ölçüde bir sistem kurulabilir. Borulardaki debiler ihtiyaca göre dengelenebilir, basınçlar ayarlanabilir, sistemin normal şartlarda düzgün çalışacağı garanti edilebilir. Hedeflenen verimi sağlayacak en ekonomik konfigürasyon ve ekipmanlar seçilebilir. Öte yandan, özellikle birbirine yakın yerleştirilen ekipmanların etkileşimleri ve bu durumun verime yansıması incelenebilir.

Ancak 5. madde sistemin çalışabilmesi için gereken prosedürleri tanımlar. Özellikle değişen çalışma şartlarında, örneğin değişen bir ısıl yükte debinin buna göre ayarlanması için kontrol vanalarının kısılması/açılması veya değişken hızlı bir pompanın hızının değiştirilmesi, sistemin çalışmasını bozmadan belirli bir sırada ve süreyle yapılması ile gerçekleştirilir. Öte yandan devreye alma, devreden çıkarma ya da pompa durması gibi normal olmayan şartlarda sistem davranışını öngörmek güvenlik açısından son derece önemlidir. Daimi koşul hesaplarından çıkmış basınç değerlerine göre tasarlanmış bir sistem, ani bir vana kapanmasında ya da bir pompanın bozularak devre dışı kalması durumunda tasarım basıncının kat kat üstü basınçlara maruz kalabilir ve bu durumda sistemin dağılması söz konusu olabilir. Bu gibi durumları önceleyecek dalgalanma (ing. surge) hacimlerin sisteme konması ya da vana açma/kapama sürelerinin düzenlenmesi yine zamana bağlı analizler ile incelenebilir.

NAVİST mühendislik olarak bizler bu hesaplamaları, satışını ve teknik desteğini de sağladığımız Siemens FLoMASTER yazılımını kullanarak yapıyoruz. Geniş ekipman kütüphanesi ve üstün çözücüsüyle, son derece güvenilir analiz sonuçlarına hızlıca ulaşmak için bizimle iletişime geçmeniz yeterli olacaktır.

Anahtar kelimeler:
Hidrolik Analiz, Sistem Analizi, Sistem Simülasyonu, 1 Boyutlu CFD Analiz, 1B CFD Analiz, 1 Boyutlu CFD Simülasyonu, 1B CFD Simülasyonu, Flomaster, Boru Sistemi, Boru Hattı Analizi