مقاله تاثیر استفاده از مشعل اضافی در بویلر بازیاب نیروگاه سیکل ترکیبی نکاء با استفاده از آنالیز اگزرژی

word قابل ویرایش
17 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

چکیده
امروزه استفاده از نیروگاه های سیکل ترکیبی برای تولید انرژی الکتریکی بـه دلیل بزرگ بـودن بـازده حرارتـی آن ، در مقایـسه بـا سـیکل هـای گـازی و استفاده بهینه از سوخت و همچنـین زمـان راه انـدازی کوتـاه در مقایـسه بـا سیکل های بخار مورد توجه قرار گرفته است . بنابراین بیـشترین ارزیـابی هـا برای بهبود راندمان این نیروگاه ها در حـال انجـام اسـت . اسـتفاده از مـشعل اضافی در بویلر بازیاب نیروگاه سیکل ترکیبی یکی از تکینک ها می باشد که باعث افزایش قدرت خروجی این نیروگاه ها می شود.
دراین مقاله تاثیر استفاده از مشعل در بـویلر بازیـاب روی بازگـشت ناپـذیری های سیکل و بازده قانون اول و بازده اگزرژیکی کل سیکل مورد بررسی قـرار می گیرد. نتایج حاصله نشان می دهد که با استفاده کردن از مشعل در بـویلر بازیاب نیروگاه نکا مگاوات خروجی سیکل بخار را تقریباً ۳۰ مگاوات افـزایش می دهد این در حالی است که بازده قانون اول و بازده اگزرژیکـی در حـالتی که مشعل در بویلر بازیاب موجود باشد برابر و اگـر از مشعل استفاده نشود برابر خواهد بود.
کلمات کلیدی : آنالیز اگزرژی ، نیروگاه سیکل ترکیبی ، مشعل ، بـویلر بازیـاب ، بازده اگزرژیکی .

مقدمه
آنالیز اگزرژی بر پایه قانون اول و دوم ترمودینامیک این امکان را فـراهم مـی آورد که روش مطلوب تحلیل سیستم های انرژی و همچنین شناخت واضـح سطوح انرژی و فرایندهای نـامطلوب ترمودینـامیکی یـک سیـستم مـشخص شود. آنالیز اگزرژی شامل دو مرحله اساسـی اسـت ، مرحلـه اول شناسـایی و بررسی فرآیندهای نامطلوب ترمودینامیـک سیـستم بـر پایـه تعیـین اتـلاف اگزرژی و مرحله دوم تعیین بیشترین اصلاحات ممکـن در سیـستم بـر پایـه مفاهیم اگزرژی اجتناب پذیر و اجتناب ناپذیر.
بطورکلی قانون اول ترمودینامیک فقط به کمیت انرژی می پـردازد و موازنـه انرژی را در سیستم برقرار می کند و بیان می کند که انرژی از بین نمـی رود بلکه از صورتی به صورت دیگر تبدیل می شود در حالیکه قانون دوم علاوه بر بازگشت ناپذیری کمیت انرژی به کیفیت آن نیز توجه می کنـد و بـین فـرم های انرژی با کیفیت بالا و کیفیت پایین تفاوت قائل می شود.
آنالیز روش اگـزرژی و یـا قـانون دوم بـرای توجیـه و توصـیف جریـان هـای مختلف انرژی و نیز کمک به کاهش افت هایی است که در یـک سیـستم رخ می دهد. اگزرژی حداکثر کـار محـوری کـه مـی توانـد در یـک مجموعـه از ماشین های ایده آل از مقدار انرژی دریافت کرد.
مشخص است که در طول یک پروسه اگزرژی ذخیره نمی شود ولی به دلیـل بازگشت ناپذیری ها می تواند از بین رود [۱]. این روش می توانـد تـک تـک اجزای سیکل را به طور مجزا تحلیل کند و سهم هر یک از اجـزا در اتلافـات کل سیکل را به دست آورد و در مکان یابی ناکارآمدی های یـک سـیکل بـه طور دقیق عمل کنـد. محققـان زیـادی ماننـد کوتـاس و مـورال [۲] آنـالیز اگزرژی را برای نیروگاه های سیکل ترکیبی انجام دادند و تلفات را در اجزای مختلف محاسبه کردند.
فیاسچی [۳] در مقاله ای آنالیز اگزرژی برای یـک واحـد سـیکل ترکیبـی را انجام داد و نتیجه گرفت که بیشترین تلفـات در داخـل محفظـه احتـراق بـه وقوع می پیوندد و آن به دلیل اختلاف دمای بالای بین شعله و سـیال عامـل است و به این نتیجه رسید که آنالیز اگزرژی یک مفهوم مفید بـرای مقایـسه عملکرد های سیکل توربین گاز است . نگاهی دقیق به مطالعات اخیر محققان نشان می دهد که آنها سعی بر این داشته اند که بازده و قدرت خروجـی ایـن نیروگاه ها را افـزایش دهنـد. در ایـن میـان اسـتفاده از مـشعل اضـافی یـک انتخاب مهم برای افزایش قدرت خروجی می باشـد. شـبیه سـازی و کـاهش تلفات برای یک نیروگاه سیکل ترکیبی سه فشاره بوسیله باسـیلی [۴] انجـام شد، او یک بویلر بازیـاب بـا ۷ نقطـه ی پیـنچ درنظـر گرفـت و تـاثیر دمـای ورودی به توربین گاز را روی نقـاط پیـنچ مـورد بررسـی قـرار داد. هـدف او کاهش دمای نقاط پینچ بود.
فرانکو و همکارانش [۵] در تحقیقشان نشان دادنـد کـه بهینـه کـردن بـویلر بازیاب بوسیله تزریق بخار انجام می گیرد که این عمل باعث کاهش اخـتلاف دما بین جریانات گرم و سرد خواهد شد. سانگ و کیم [۶] آنـالیز اگـزرژی را روی سیکل توربین گـاز در بارهـای مختلـف انجـام دادنـد و بـه ایـن نتیجـه رسیدند واکنش های شیمیایی انجام گرفته در محفظـه احتـراق و همچنـین اختلاف دمای بالا بین شعله و سیال عامل باعث بیـشترین تلفـات در سـیکل توربین گاز خواهد شد.
احمد سیهان و همکارانش [۷] در مقاله خود آنالیز اگزرژی و پیـشنهادهایی را برای افزایش راندمان نیروگاه سیکل ترکیبی انجـام دادنـد آنهـا بـا اسـتفاده از داده های گرفته شده از نیروگاه سیکل ترکیبی انرژی و تلفـات اگـزرژی را در هر یک از قسمت های نیروگاه محاسبه کردند.نتایج آنها نشان داد که محفظـه احتراق . توربین گاز. و بویلر بازیاب بیـشترین قـسمت از بازگـشت ناپـذیریهای موجود در یک نیروگاه سیکل ترکیبی را شـامل مـی شـود کـه ایـن بازگـشت ناپذیری ها برای این اجزاء تقریباً برابر %۸۵ کل بازگـشت ناپـذیری هـای کـل سیکل است .پیشنهاد هایی که آنها ارائه کردند بـه کـار بـردن سیـستم چیلـر جذبی در سیکل توربین گاز.افـزایش دمـای ورودی بـه تـوربین گـاز(TIT) و افزایش سطوح حرارتی در بویلر بازیاب بود.
محمد جواد آبادی و همکارش [۸] آنالیز اگزرژی را بـرای سـیکل تـوربین گـاز یک نیروگاه ۱۱۶MW انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که تـاثیر افـزایش دمای ورودی به توربین گاز باعث افزایش بازده اگزرژیکی کل سیکل و کاهش تلفات اگزرژی خواهد شد.همچنین آن ها به این نتیجه رسیدند کـه بیـشترین تلفات در یک نیروگاه گازی در محفظه احتراق رخ خواهد داد.
هدف این مقاله تاثیر استفاده از مشعل اضافی در بویلر بازیـاب نیروگـاه نکـا و تاثیر آن بروی بازگشت ناپذیری های موجود در اجزاء مختلف بـویلر بازیـاب و همچنین بازده قانون اول و بازده اگزرژیکی کل سیکل است .
مشخصات نیروگاه نکاء
نیروگاه شهید سلیمی نکاء در کنـار دریـای خـزر واقـع شـده اسـت در شـکل شماره (۱) شماتیک کلی این نیروگاه مشخص شده است این نیروگاه دارای ۲ توربین گاز، ۲ عدد کمپرسور، ۲عدد بویلر بازیاب و ۳ عدد دی اریتـور و یـک عدد توربین بخار می باشد کندانسور ایـن نیروگـاه از نـوع کندانـسور سـطحی می باشد. توربین گاز این نیروگاه از نوع V94.2 بوده و در سال ۱۹۸۲ نـصب شده است .
در سیکل توربین گاز. هوا توسط کمپرسور محوری تا فشار ۱۰.۱bar فشرده می شود. هوای فشرده شده وارد ۲ عدد محفظه احتراق که هر کـدام دارای ۸ عدد مشعل است می شود دمای گازهای خروجـی کـه وارد تـوربین گـاز مـی شوند برابـر ۹۷۱c مـی باشـد. تـوربین گـاز مـورد اسـتفاده از نـوع تـوربین عکس العملی است که دارای ۴ مرحله اسـت کـه ۲ مرحلـه اولیـه آن بـا هـوا خنک کاری می شود.
گازهای خروجی از توربین گاز با دمای حدود ۵۰۸Ac وارد بـویلر بازیـاب کـه دارای مشعل اضافی است می شود. بویلر بازیاب هـای اسـتفاده شـده در ایـن نیروگاه ۲ فشاره است . قدرت خروجی توربین بخار این نیروگـاه در بـار %۱۰۰ برابر ۱۶۰.۸MW می باشد ایـن در حـالی اسـت کـه شـرایط طراحـی ایـن نیروگاه در دمای Ac درنظر گرفته شده است . خروجی توربین بخـار وارد کندانسور سطحی شده و گرمای خود را به آب دریا می دهد.
آب خروجی وارد چاهک داغ که در زیر کندانسور قرار دارد می شود و بوسـیله ۲ عدد پمپ زیرکش وارد دی اریتور می شود.
آب تغذیه مورد استفاده در اوپراتور فشار پایین و اکونومایزرهای فشار بـالای ۱ ۲ توسط ۲ عدد پمپ فشار بالا و پایین تامین می شود. بعـد از ایـن مرحلـه و وارد درام فــشار بــالا شــده و بعــد از عبــور از اوپراتــور. بخــار اشــباع وارد سوپرهیترهای شماره ۱ و ۲ و ۳ شده و بعـد از سـورهیت شـدن وراد تـوربین فشار بالا می شود.
آنالیز اگزرژی
اگزرژی از دو قسمت مهم تشکیل شده است قسمت اول اگزرژی فیزیکی و دیگری اگزرژی شیمیایی است . در این مقاله از ترم های جنبشی و پتانسیل اگزرژی صرفنظر شده است . اگزرژی فیزیکی حداکثر کار محوری است که می تواند در مجموعه ای از ماشین های ایده آل از مقدار انرژی دریافت کرد.
اگزرژی شیمیایی عبارت است از مقدار ماکزیمم کار قابل استحصال در حالتی که ماده از حالت اولیه خود توسط پروسه های شامل انتقال حرارت و تبادل ماده به حالت مرده برسد. اگزرژی شیمیایی اهمیت خود را در فرایند های شمال احتراق نشان می دهد. برای تحلیل اگزرژی اگر هر یک از قسمت های نیروگاه را به عنوان یک حجم کنترل درنظر بگیریم با نوشتن قوانین پیوستگی و قانون اول و دوم ترمودینامیک خواهیم داشت :
که در این رابطه دبی جریان عبوری است .
معادله شماره (۲) بیانگر قانون اول ترمودینامیک است که در آن نـرخ انتقـال حرارت به حجم کنترل و کار داده شده می باشـد. در ایـن رابطـه تـرم هـای مربوط به انرژی جنبشی و پتانسیل صرفنظر شده است .
با درنظر گرفتن قـوانین اول و دوم ترمودینامیـک مـی تـوانیم رابطـه ای بـالانس اگزرژی به صورت زیر بدست می آید:

که دراین رابطه e مقدار اگزرژی مخـصوص مـی باشـد و برابـر تلفـات اگـزرژی است .
در روابط فوق T برابر درجه حرارت برحسب کلوین می باشد. اگـزرژی شـیمیایی مخلوط ها به صورت زیر تعریف می شود

در رابطه شماره (۷) ، ترم مربوط به انرژی گیپس می باشد که در فـشارهای پایین قابل چشم پوششی است برای پیدا کردن اگزرژی شیمیایی سـوخت هـا بـا فرمول شیمیایی از رابطه زیر استفاده می کنیم :
که پتانسیل شیمیایی اجزای مختلف در حالت مرده می باشد.
و نشان دهنده پتانسیل شیمیایی اجزای مختلف در حالت تعادل با حالت استاندارد محیط می باشد. اما برای یافتن اگزرژی مربوط به سوخت ها استفاده کردن از روابط فوق کار دشواری است به این دلیل در مراجع مختلف یک ضریب که برای سوخت های مختلف متفاوت می باشد به صورت زیر تعریف می شود.
مثلاً این ضریب برای متان و هیدروژن به صورت زیر بدست آمده است .
در حالت کلی بـرای سـوخت هـای بـا فرمـول رابطـه تجربـی بـرای محاسبه ی به صورت زیر است :
بازده قانون اول و اگزرژیکی کل سیکل به صورت زیر تعریف می شود:
که در روابط (۱۳) و (۱۴). انرژی و اگزرژی مربوط به گـاز طبیعـی می باشند. برای بررسی تاثیر مشعل در بویلر بازیاب نیروگـاه سـیکل ترکیبـی نکا که دارای دو عدد بویلر بازیاب دو فشاره با ۸ عدد مشعل می باشد، در نظـر گرفته شد. برای این منظور یک حجم کنترل روی مشعل در نظر مـی گیـریم که در این مورد باید فرضیات زیر را در نظر گرفت :
‐ مجموعه با بیرون تبادل حرارت ندارد.
‐ از اتلافات تشعشعی صرف نظر می شود.
‐ مخلوط گاز های احتراق رفتار گاز ایده ال دارند.
چون اساساً پروسه های شیمیایی بازگشت ناپذیرند
. پـس طبیعـی اسـت کـه و به همراه آن اتلافات اگـزرژی نـسبت بازگشت ناپذیریهای مربوط به مشعل به اجزای دیگر زیاد باشد.
بر اساس داده های گرفته شده از سایت نیروگاه نکا مشخص اسـت کـه دبـی سوخت مورد نیاز برای احتراق در مشعل برابرkg.s ٠.٨ و نـوع سـوخت گـاز طبیعی است که ارزش حرارتی پـایین آن اسـت .
برای محاسبه اتلافات در این قسمت از فرمـول (۳) اسـتفاده مـی کنـیم کـه ساده شده فرمول بالانس اگزرژی برای مشعل به صورت زیر خوا هد بود:
که در فرمول بالا اگزرژی سوخت از فرمول (۱۰) استفاده می شود.
دبی و دمای گازهای ورودی و خروجی مشعل برا بر است با

که با قرار دادن این داده ها در فرمول (۱۶) تلفات مربوط به مشعل اضافی محاسبه می شود که مقدار آن برابر است با
در نیروگاه نکاء دو عدد بویلر بازیاب دو فشاره برای تولید بخار موجود می باشد که وظیفه تولید بخار را برای یک توربین بخار برعهده دارند. بویلر بازیاب این نیروگاه از قسمت های مختلفی مانند اکونومایزر(economizer) تبخیرکننده (evaporator) و سوپرهیتر(superheater) تشکیل شده است . که ترتیب قرارگیری هرکدام از اجزاء در شکل (۱) نشان داده شده است .
بویلر بازیاب یکی از مهمترین قسمت های موجود در یک نیروگاه سیکل ترکیبی می باشد، زیرا سهم بسزایی در تولید بخار برای تولید برق در قسمت بخار دارد.
همچنین محاسبات اتلاف در این قسمت بسیار اهمیت دارد. کاهش بازگشت ناپذیریهای موجود در HRSG به وسیله افزایش دمای بخار در خروج ، کاهش دمای خروجی از دودکش و کاهش اختلاف دمای بین جریان گاز و بخار امکان پذیر می باشد.
در مورد بویلر بازیاب نیروگاه نکاء فرضیات زیر در نظر گرفته شده است :
۱. دما و دبی گازهای خروجی از توربین گاز ثابت است .
۲. مجموعه تبخیر کننده و درام به صورت یکپارچه در نظر گرفته می شود.
۳. دمای گازهای خروجی از یک المان تا ورودی المان دیگر ثابت است .
در جدول(۵) ترکیب گازهای ورودی به مشعل موجود در بویلر بازیاب و خروجـی از آن مشخص شده است که بـرای بدسـت آوردن خـواص گـاز ماننـد آنتروپـی .
آنتالپی وگرمای ویژه گاز از این ترکیبات استفاده شده است .
ترتیب اجزا در بویلر بازیاب به صورت زیر است یعنی خروجی تـوربین گـاز ابتـدا وارد مشعل شده و دمای این گازها به اندازه Ac افزایش می یابـد سـپس وارد سوپر هیتر های شماره ۳و۲و۱ شده و بعد از این قـسمت وارد اکونومـایزر فـشای بالای شماره ۲ شده و خروجی این قسمت وارد سوپر هیتر فشار پایین می شـود و در نهایت این گازهای گرم از قسمت ا کونومـایزر فـشار بـالای شـماره ۱ عبـور خواهند کرد که شماتیک کلی در شکل (۱) مشخص است .
در شکل (۲) که تغییرات دما در نقاط مختلف بـویلر بازیـاب را نـشان مـی دهـد مشخص است که دمای پینچ در قسمت فشار بالا تقریباً برابر Ac می باشد که هرچقدر این دما کاهش یابد تلفات در داخل بویلر بازیاب کاهش می یابد که ایـن عمل با افزایش سطوح مبدل های حرارتی مورد استفاده در بویلر بازیـاب و روش های بهینه کردن بویلر بازیاب امکان دارد.
از لحاظ قانون اول ترمودینامیک بازده بویلر بازیاب برابر %۱۰۰ می باشـد، یعنـی انرژی داده شده در بخش گاز برابر انرژی گرفته شده در بخـش بخـار اسـت . امـا ازدیدگاه قانون دوم ترمودینامیک کیفیت انرژی داده شـده توسـط گـاز بـالاتر از انرژی جذب شده توسط بخار است و لذا راندمان قانون دوم بویلر بازیاب کمتـر از است .
بازده اگرزژیکی یک اطلاعات اضافی در مورد سیکل نیروگاه به ما می دهد.
بازده اگزرژیکی برای آنالیز و بهینه کردن سیستم ها حائز اهمیت است . آنالیز اگزرژی معمولاً حاوی جزئیاتی از محاسبات برای جریان ها و افت های اگزرژیکی در سیستم است با استفاده از مقدار مطلق افت اگزرژی نمی توان به میزان این افتها را کامل بررسی کرد.
با استفاده از بازده اگزرژیکی می توان یک تصویر ذهنـی بهتـری دربـاره کیفیـت انجام فرایندها بدست آورد بازده اگزرژیکی از این لحاظ که محاسبات مربـوط بـه فرایندها در آن چک می شود می تواند برای قسمت های مختلف واحد ارزشـمند باشد.
در ادامه برای بدست آوردن قانون دوم بویلر بازیاب در حـالتی کـه مـشعل وجـود داشته باشد یا حالت بدون آن از فرمول زیر استفاده می کنیم :
با استفاده از داده های موجود در جدول(۳و۴) و قرار دادن در فرمول(۱۶) مشخص خواهد بود که در هر حالت بازده قانون دوم وقتی که مشعل در بویلر بازیاب نیاشد بیشتر است پس مشخص خواهد شد که استفاده از مشعل اضافی در بویلر بازیاب باعث کاهش بازده می شود که متعاقباً نشان دهنده این است که در این حالت ها تلفات در بویلر بازیاب در حالتی که مشعل در بویلر بازیاب موجود نیست کمتر است .
تاثیر دمای محیط بر راندمان اگزرژیکی بویلر بازیاب
برای بررسی تغییرات دمای محیط بر عملکرد بویلر بازیاب تخریب اگـزرژی در هر یک از اجزاء بویلر بازیاب که در اینجا شـامل ID-LP,EC-PRE,LP- HP-SH,HP-EC-2Th , HP-EV,HP-EC-1Th,LP-SH,EV, Stack می باشد به ترتیب محاسبه شده است و در هر حالت درصد اتلافات برای هریک از اجزاء نمایش داده شده است .
دماها بـه ترتیـب دمـای ۱۷.۳A میـانگین دمـای سـالیانه محـیط . ۱۳.۵A میانگین مینـیمم دمـای سـالیانه محـیط . ۲۰.۹Aمیـانگین مـاکزیمم دمـای سالیانه محیط . ۳۹A ماکزیمم دمای مطلق محیط ، انتخاب شـده انـد. کـه از داده هایی بر اساس تست های انجام گرفته توسـط شـرکت سـازنده اسـتفاده شده است . همچنین محاسبات در حالت کلی برای وجود مشعل و بدون وجود آن انجام شده است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 17 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد