بخشی از مقاله
چکيده
امروزه استفاده از نيروگاه هاي سيکل ترکيبي براي توليد انرژي الکتريکي بـه دليل بزرگ بـودن بـازده حرارتـي آن ، در مقايـسه بـا سـيکل هـاي گـازي و استفاده بهينه از سوخت و همچنـين زمـان راه انـدازي کوتـاه در مقايـسه بـا سيکل هاي بخار مورد توجه قرار گرفته است . بنابراين بيـشترين ارزيـابي هـا براي بهبود راندمان اين نيروگاه ها در حـال انجـام اسـت . اسـتفاده از مـشعل اضافي در بويلر بازياب نيروگاه سيکل ترکيبي يکي از تکينک ها مي باشد که باعث افزايش قدرت خروجي اين نيروگاه ها مي شود.
دراين مقاله تاثير استفاده از مشعل در بـويلر بازيـاب روي بازگـشت ناپـذيري هاي سيکل و بازده قانون اول و بازده اگزرژيکي کل سيکل مورد بررسي قـرار مي گيرد. نتايج حاصله نشان مي دهد که با استفاده کردن از مشعل در بـويلر بازياب نيروگاه نکا مگاوات خروجي سيکل بخار را تقريباً ۳۰ مگاوات افـزايش مي دهد اين در حالي است که بازده قانون اول و بازده اگزرژيکـي در حـالتي که مشعل در بويلر بازياب موجود باشد برابر و اگـر از مشعل استفاده نشود برابر خواهد بود.
کلمات کليدي : آناليز اگزرژي ، نيروگاه سيکل ترکيبي ، مشعل ، بـويلر بازيـاب ، بازده اگزرژيکي .
مقدمه
آناليز اگزرژي بر پايه قانون اول و دوم ترموديناميک اين امکان را فـراهم مـي آورد که روش مطلوب تحليل سيستم هاي انرژي و همچنين شناخت واضـح سطوح انرژي و فرايندهاي نـامطلوب ترمودينـاميکي يـک سيـستم مـشخص شود. آناليز اگزرژي شامل دو مرحله اساسـي اسـت ، مرحلـه اول شناسـايي و بررسي فرآيندهاي نامطلوب ترموديناميـک سيـستم بـر پايـه تعيـين اتـلاف اگزرژي و مرحله دوم تعيين بيشترين اصلاحات ممکـن در سيـستم بـر پايـه مفاهيم اگزرژي اجتناب پذير و اجتناب ناپذير.
بطورکلي قانون اول ترموديناميک فقط به کميت انرژي مي پـردازد و موازنـه انرژي را در سيستم برقرار مي کند و بيان مي کند که انرژي از بين نمـي رود بلکه از صورتي به صورت ديگر تبديل مي شود در حاليکه قانون دوم علاوه بر بازگشت ناپذيري کميت انرژي به کيفيت آن نيز توجه مي کنـد و بـين فـرم هاي انرژي با کيفيت بالا و کيفيت پايين تفاوت قائل مي شود.
آناليز روش اگـزرژي و يـا قـانون دوم بـراي توجيـه و توصـيف جريـان هـاي مختلف انرژي و نيز کمک به کاهش افت هايي است که در يـک سيـستم رخ مي دهد. اگزرژي حداکثر کـار محـوري کـه مـي توانـد در يـک مجموعـه از ماشين هاي ايده آل از مقدار انرژي دريافت کرد.
مشخص است که در طول يک پروسه اگزرژي ذخيره نمي شود ولي به دليـل بازگشت ناپذيري ها مي تواند از بين رود [۱]. اين روش مي توانـد تـک تـک اجزاي سيکل را به طور مجزا تحليل کند و سهم هر يک از اجـزا در اتلافـات کل سيکل را به دست آورد و در مکان يابي ناکارآمدي هاي يـک سـيکل بـه طور دقيق عمل کنـد. محققـان زيـادي ماننـد کوتـاس و مـورال [۲] آنـاليز اگزرژي را براي نيروگاه هاي سيکل ترکيبي انجام دادند و تلفات را در اجزاي مختلف محاسبه کردند.
فياسچي [۳] در مقاله اي آناليز اگزرژي براي يـک واحـد سـيکل ترکيبـي را انجام داد و نتيجه گرفت که بيشترين تلفـات در داخـل محفظـة احتـراق بـه وقوع مي پيوندد و آن به دليل اختلاف دماي بالاي بين شعله و سـيال عامـل است و به اين نتيجه رسيد که آناليز اگزرژي يک مفهوم مفيد بـراي مقايـسة عملکرد هاي سيکل توربين گاز است . نگاهي دقيق به مطالعات اخير محققان نشان مي دهد که آنها سعي بر اين داشته اند که بازده و قدرت خروجـي ايـن نيروگاه ها را افـزايش دهنـد. در ايـن ميـان اسـتفاده از مـشعل اضـافي يـک انتخاب مهم براي افزايش قدرت خروجي مي باشـد. شـبيه سـازي و کـاهش تلفات براي يک نيروگاه سيکل ترکيبي سه فشاره بوسيله باسـيلي [۴] انجـام شد، او يک بويلر بازيـاب بـا ۷ نقطـه ي پيـنچ درنظـر گرفـت و تـاثير دمـاي ورودي به توربين گاز را روي نقـاط پيـنچ مـورد بررسـي قـرار داد. هـدف او کاهش دماي نقاط پينچ بود.
فرانکو و همکارانش [۵] در تحقيقشان نشان دادنـد کـه بهينـه کـردن بـويلر بازياب بوسيله تزريق بخار انجام مي گيرد که اين عمل باعث کاهش اخـتلاف دما بين جريانات گرم و سرد خواهد شد. سانگ و کيم [۶] آنـاليز اگـزرژي را روي سيکل توربين گـاز در بارهـاي مختلـف انجـام دادنـد و بـه ايـن نتيجـه رسيدند واکنش هاي شيميايي انجام گرفته در محفظـه احتـراق و همچنـين اختلاف دماي بالا بين شعله و سيال عامل باعث بيـشترين تلفـات در سـيکل توربين گاز خواهد شد.
احمد سيهان و همکارانش [۷] در مقاله خود آناليز اگزرژي و پيـشنهادهايي را براي افزايش راندمان نيروگاه سيکل ترکيبي انجـام دادنـد آنهـا بـا اسـتفاده از داده هاي گرفته شده از نيروگاه سيکل ترکيبي انرژي و تلفـات اگـزرژي را در هر يک از قسمت هاي نيروگاه محاسبه کردند.نتايج آنها نشان داد که محفظـه احتراق . توربين گاز. و بويلر بازياب بيـشترين قـسمت از بازگـشت ناپـذيريهاي موجود در يک نيروگاه سيکل ترکيبي را شـامل مـي شـود کـه ايـن بازگـشت ناپذيري ها براي اين اجزاء تقريباً برابر %۸۵ کل بازگـشت ناپـذيري هـاي کـل سيکل است .پيشنهاد هايي که آنها ارائه کردند بـه کـار بـردن سيـستم چيلـر جذبي در سيکل توربين گاز.افـزايش دمـاي ورودي بـه تـوربين گـاز(TIT) و افزايش سطوح حرارتي در بويلر بازياب بود.
محمد جواد آبادي و همکارش [۸] آناليز اگزرژي را بـراي سـيکل تـوربين گـاز يک نيروگاه ۱۱۶MW انجام دادند و به اين نتيجه رسيدند که تـاثير افـزايش دماي ورودي به توربين گاز باعث افزايش بازده اگزرژيکي کل سيکل و کاهش تلفات اگزرژي خواهد شد.همچنين آن ها به اين نتيجه رسيدند کـه بيـشترين تلفات در يک نيروگاه گازي در محفظه احتراق رخ خواهد داد.
هدف اين مقاله تاثير استفاده از مشعل اضافي در بويلر بازيـاب نيروگـاه نکـا و تاثير آن بروي بازگشت ناپذيري هاي موجود در اجزاء مختلف بـويلر بازيـاب و همچنين بازده قانون اول و بازده اگزرژيکي کل سيکل است .
مشخصات نيروگاه نکاء
نيروگاه شهيد سليمي نکاء در کنـار دريـاي خـزر واقـع شـده اسـت در شـکل شماره (۱) شماتيک کلي اين نيروگاه مشخص شده است اين نيروگاه داراي ۲ توربين گاز، ۲ عدد کمپرسور، ۲عدد بويلر بازياب و ۳ عدد دي اريتـور و يـک عدد توربين بخار مي باشد کندانسور ايـن نيروگـاه از نـوع کندانـسور سـطحي مي باشد. توربين گاز اين نيروگاه از نوع V94.2 بوده و در سال ۱۹۸۲ نـصب شده است .
در سيکل توربين گاز. هوا توسط کمپرسور محوري تا فشار ۱۰.۱bar فشرده مي شود. هواي فشرده شده وارد ۲ عدد محفظه احتراق که هر کـدام داراي ۸ عدد مشعل است مي شود دماي گازهاي خروجـي کـه وارد تـوربين گـاز مـي شوند برابـر ۹۷۱c مـي باشـد. تـوربين گـاز مـورد اسـتفاده از نـوع تـوربين عکس العملي است که داراي ۴ مرحله اسـت کـه ۲ مرحلـه اوليـه آن بـا هـوا خنک کاري مي شود.
گازهاي خروجي از توربين گاز با دماي حدود ۵۰۸Ac وارد بـويلر بازيـاب کـه داراي مشعل اضافي است مي شود. بويلر بازياب هـاي اسـتفاده شـده در ايـن نيروگاه ۲ فشاره است . قدرت خروجي توربين بخار اين نيروگـاه در بـار %۱۰۰ برابر ۱۶۰.۸MW مي باشد ايـن در حـالي اسـت کـه شـرايط طراحـي ايـن نيروگاه در دماي Ac درنظر گرفته شده است . خروجي توربين بخـار وارد کندانسور سطحي شده و گرماي خود را به آب دريا مي دهد.
آب خروجي وارد چاهک داغ که در زير کندانسور قرار دارد مي شود و بوسـيله ۲ عدد پمپ زيرکش وارد دي اريتور مي شود.
آب تغذيه مورد استفاده در اوپراتور فشار پايين و اکونومايزرهاي فشار بـالاي ۱ ۲ توسط ۲ عدد پمپ فشار بالا و پايين تامين مي شود. بعـد از ايـن مرحلـه و وارد درام فــشار بــالا شــده و بعــد از عبــور از اوپراتــور. بخــار اشــباع وارد سوپرهيترهاي شماره ۱ و ۲ و ۳ شده و بعـد از سـورهيت شـدن وراد تـوربين فشار بالا مي شود.
آناليز اگزرژي
اگزرژي از دو قسمت مهم تشکيل شده است قسمت اول اگزرژي فيزيکي و ديگري اگزرژي شيميايي است . در اين مقاله از ترم هاي جنبشي و پتانسيل اگزرژي صرفنظر شده است . اگزرژي فيزيکي حداکثر کار محوري است که مي تواند در مجموعه اي از ماشين هاي ايده آل از مقدار انرژي دريافت کرد.
اگزرژي شيميايي عبارت است از مقدار ماکزيمم کار قابل استحصال در حالتي که ماده از حالت اوليه خود توسط پروسه هاي شامل انتقال حرارت و تبادل ماده به حالت مرده برسد. اگزرژي شيميايي اهميت خود را در فرايند هاي شمال احتراق نشان مي دهد. براي تحليل اگزرژي اگر هر يک از قسمت هاي نيروگاه را به عنوان يک حجم کنترل درنظر بگيريم با نوشتن قوانين پيوستگي و قانون اول و دوم ترموديناميک خواهيم داشت :
که در اين رابطه دبي جريان عبوري است .
معادله شماره (۲) بيانگر قانون اول ترموديناميک است که در آن نـرخ انتقـال حرارت به حجم کنترل و کار داده شده مي باشـد. در ايـن رابطـه تـرم هـاي مربوط به انرژي جنبشي و پتانسيل صرفنظر شده است .
با درنظر گرفتن قـوانين اول و دوم ترموديناميـک مـي تـوانيم رابطـه اي بـالانس اگزرژي به صورت زير بدست مي آيد:
که دراين رابطه e مقدار اگزرژي مخـصوص مـي باشـد و برابـر تلفـات اگـزرژي است .
در روابط فوق T برابر درجه حرارت برحسب کلوين مي باشد. اگـزرژي شـيميايي مخلوط ها به صورت زير تعريف مي شود
در رابطه شماره (۷) ، ترم مربوط به انرژي گيپس مي باشد که در فـشارهاي پايين قابل چشم پوششي است براي پيدا کردن اگزرژي شيميايي سـوخت هـا بـا فرمول شيميايي از رابطه زير استفاده مي کنيم :
که پتانسيل شيميايي اجزاي مختلف در حالت مرده مي باشد.
و نشان دهنده پتانسيل شيميايي اجزاي مختلف در حالت تعادل با حالت استاندارد محيط مي باشد. اما براي يافتن اگزرژي مربوط به سوخت ها استفاده کردن از روابط فوق کار دشواري است به اين دليل در مراجع مختلف یک ضريب که براي سوخت هاي مختلف متفاوت مي باشد به صورت زير تعريف مي شود.
مثلاً اين ضريب براي متان و هيدروژن به صورت زير بدست آمده است .
در حالت کلي بـراي سـوخت هـاي بـا فرمـول رابطـه تجربـي بـراي محاسبه ي به صورت زير است :
بازده قانون اول و اگزرژيکي کل سيکل به صورت زير تعريف مي شود:
که در روابط (۱۳) و (۱۴). انرژي و اگزرژي مربوط به گـاز طبيعـي مي باشند. براي بررسي تاثير مشعل در بويلر بازياب نيروگـاه سـيکل ترکيبـي نکا که داراي دو عدد بويلر بازياب دو فشاره با ۸ عدد مشعل مي باشد، در نظـر گرفته شد. براي اين منظور يک حجم کنترل روي مشعل در نظر مـي گيـريم که در اين مورد بايد فرضيات زير را در نظر گرفت :
‐ مجموعه با بيرون تبادل حرارت ندارد.
‐ از اتلافات تشعشعي صرف نظر مي شود.
‐ مخلوط گاز هاي احتراق رفتار گاز ايده ال دارند.
چون اساساً پروسه هاي شيميايي بازگشت ناپذيرند
. پـس طبيعـي اسـت کـه و به همراه آن اتلافات اگـزرژي نـسبت بازگشت ناپذيريهاي مربوط به مشعل به اجزاي ديگر زياد باشد.
بر اساس داده هاي گرفته شده از سايت نيروگاه نکا مشخص اسـت کـه دبـي سوخت مورد نياز براي احتراق در مشعل برابرkg.s ٠.٨ و نـوع سـوخت گـاز طبيعي است که ارزش حرارتي پـايين آن اسـت .
براي محاسبه اتلافات در اين قسمت از فرمـول (۳) اسـتفاده مـي کنـيم کـه ساده شده فرمول بالانس اگزرژي براي مشعل به صورت زير خوا هد بود:
که در فرمول بالا اگزرژي سوخت از فرمول (۱۰) استفاده مي شود.
دبي و دماي گازهاي ورودي و خروجي مشعل برا بر است با
که با قرار دادن اين داده ها در فرمول (۱۶) تلفات مربوط به مشعل اضافي محاسبه مي شود که مقدار آن برابر است با
در نيروگاه نکاء دو عدد بويلر بازياب دو فشاره براي توليد بخار موجود مي باشد که وظيفه توليد بخار را براي يک توربين بخار برعهده دارند. بويلر بازياب اين نيروگاه از قسمت هاي مختلفي مانند اکونومايزر(economizer) تبخيرکننده (evaporator) و سوپرهيتر(superheater) تشکيل شده است . که ترتيب قرارگيري هرکدام از اجزاء در شکل (۱) نشان داده شده است .
بويلر بازياب يکي از مهمترين قسمت هاي موجود در يک نيروگاه سيکل ترکيبي مي باشد، زيرا سهم بسزايي در توليد بخار براي توليد برق در قسمت بخار دارد.
همچنين محاسبات اتلاف در اين قسمت بسيار اهميت دارد. کاهش بازگشت ناپذيريهاي موجود در HRSG به وسيله افزايش دماي بخار در خروج ، کاهش دماي خروجي از دودکش و کاهش اختلاف دماي بين جريان گاز و بخار امکان پذير مي باشد.
در مورد بويلر بازياب نيروگاه نکاء فرضيات زير در نظر گرفته شده است :
۱. دما و دبي گازهاي خروجي از توربين گاز ثابت است .
۲. مجموعه تبخير کننده و درام به صورت يکپارچه در نظر گرفته مي شود.
۳. دماي گازهاي خروجي از يک المان تا ورودي المان ديگر ثابت است .
در جدول(۵) ترکيب گازهاي ورودي به مشعل موجود در بويلر بازياب و خروجـي از آن مشخص شده است که بـراي بدسـت آوردن خـواص گـاز ماننـد آنتروپـي .
آنتالپي وگرماي ويژه گاز از اين ترکيبات استفاده شده است .
ترتيب اجزا در بويلر بازياب به صورت زير است يعني خروجي تـوربين گـاز ابتـدا وارد مشعل شده و دماي اين گازها به اندازه Ac افزايش مي يابـد سـپس وارد سوپر هيتر هاي شماره ۳و۲و۱ شده و بعد از اين قـسمت وارد اکونومـايزر فـشاي بالاي شماره ۲ شده و خروجي اين قسمت وارد سوپر هيتر فشار پايين مي شـود و در نهايت اين گازهاي گرم از قسمت ا کونومـايزر فـشار بـالاي شـماره ۱ عبـور خواهند کرد که شماتيک کلي در شکل (۱) مشخص است .
در شکل (۲) که تغييرات دما در نقاط مختلف بـويلر بازيـاب را نـشان مـي دهـد مشخص است که دماي پينچ در قسمت فشار بالا تقريباً برابر Ac مي باشد که هرچقدر اين دما کاهش يابد تلفات در داخل بويلر بازياب کاهش مي يابد که ايـن عمل با افزايش سطوح مبدل هاي حرارتي مورد استفاده در بويلر بازيـاب و روش هاي بهينه کردن بويلر بازياب امکان دارد.
از لحاظ قانون اول ترموديناميک بازده بويلر بازياب برابر %۱۰۰ مي باشـد، يعنـي انرژي داده شده در بخش گاز برابر انرژي گرفته شده در بخـش بخـار اسـت . امـا ازديدگاه قانون دوم ترموديناميک کيفيت انرژي داده شـده توسـط گـاز بـالاتر از انرژي جذب شده توسط بخار است و لذا راندمان قانون دوم بويلر بازياب کمتـر از است .
بازده اگرزژيکي يک اطلاعات اضافي در مورد سيکل نيروگاه به ما مي دهد.
بازده اگزرژيکي براي آناليز و بهينه کردن سيستم ها حائز اهميت است . آناليز اگزرژي معمولاً حاوي جزئياتي از محاسبات براي جريان ها و افت هاي اگزرژيکي در سيستم است با استفاده از مقدار مطلق افت اگزرژي نمي توان به ميزان اين افتها را کامل بررسي کرد.
با استفاده از بازده اگزرژيکي مي توان يک تصوير ذهنـي بهتـري دربـاره کيفيـت انجام فرايندها بدست آورد بازده اگزرژيکي از اين لحاظ که محاسبات مربـوط بـه فرايندها در آن چک مي شود مي تواند براي قسمت هاي مختلف واحد ارزشـمند باشد.
در ادامه براي بدست آوردن قانون دوم بويلر بازياب در حـالتي کـه مـشعل وجـود داشته باشد يا حالت بدون آن از فرمول زير استفاده مي کنيم :
با استفاده از داده هاي موجود در جدول(۳و۴) و قرار دادن در فرمول(۱۶) مشخص خواهد بود که در هر حالت بازده قانون دوم وقتي که مشعل در بويلر بازياب نياشد بيشتر است پس مشخص خواهد شد که استفاده از مشعل اضافي در بويلر بازياب باعث کاهش بازده مي شود که متعاقباً نشان دهنده اين است که در اين حالت ها تلفات در بويلر بازياب در حالتي که مشعل در بويلر بازياب موجود نيست کمتر است .
تاثير دماي محيط بر راندمان اگزرژيکي بويلر بازياب
براي بررسي تغييرات دماي محيط بر عملکرد بويلر بازياب تخريب اگـزرژي در هر يک از اجزاء بويلر بازياب که در اينجا شـامل ID-LP,EC-PRE,LP- HP-SH,HP-EC-2Th , HP-EV,HP-EC-1Th,LP-SH,EV, Stack مي باشد به ترتيب محاسبه شده است و در هر حالت درصد اتلافات براي هريک از اجزاء نمايش داده شده است .
دماها بـه ترتيـب دمـاي ۱۷.۳A ميـانگين دمـاي سـاليانه محـيط . ۱۳.۵A ميانگين مينـيمم دمـاي سـاليانه محـيط . ۲۰.۹Aميـانگين مـاکزيمم دمـاي ساليانه محيط . ۳۹A ماکزيمم دماي مطلق محيط ، انتخاب شـده انـد. کـه از داده هايي بر اساس تست هاي انجام گرفته توسـط شـرکت سـازنده اسـتفاده شده است . همچنين محاسبات در حالت کلي براي وجود مشعل و بدون وجود آن انجام شده است .
