بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، سیکل بخار نیروگاه شهید منتظری اصفهان با ظرفیت هر واحد200 مگاوات مورد بررسی قرار میگیرد. با استفاده از معادلات بالانس جرم، انرژی و اگزرژی، هر کدام از تجهیزات سیکل تحلیل شده و بازده انرژی، بازده اگزرژی و برگشت ناپذیری برای هرکدام از تجهیزات، بر حسب نیاز محاسبه شده است. برای تحلیل از نرم افزار1 EES استفاده میشود. مقادیر و نسبتهای افت حرارتی و افت اگزرژی برای هر تجهیز در جدول های جداگانه بیان شده اند . نتایج حاصل از تحلیل انرژی نشان میدهند که کندانسور به عنوان اصلیترین تجهیز تلف کننده انرژی، 69.8 درصد از کل انرژی اتلافی در سیکل را به خود اختصاص داده، در صورتی که تحلیل اگزرژی، بویلر را به عنوان اصلیترین تجهیز تلف کننده اگزرژی معرفی میکند که 85.66 درصد از کل اگزرژی ورودی به سیکل را شامل میشود.
مقدمه
سیکلهای نیروگاهی بخار با توجه به بازده کم، آلودگی محیط زیست ومخصوصاً کمبود منابع فسیلی در بسیاری از کشورهای دنیا از چرخه تولید برق خارج و نیروگاه هایی با بازده بالا و توجیه اقتصادی و فنی جایگزین آن ها شده اند. در کشور ما نیز برخلاف منابع سرشار سوختهای فسیلی، در سالهای اخیر تحقیقات زیادی بر روی استفاده از انرژیهای نو و سالم شده است. در این راستا استفاده از انرژیهای باد، خورشیدی، انرژی اتمی و سایر انرژیهای دیگر در دستور کار قرار گرفته است. اما به دلیل نیاز شبکه برق رسانی کشور به سرعت زیاد در نصب و راه اندازی نیروگاه ها و قابلیتهای خوب نیروگاه های بخار در این زمینه، استفاده از آن ها را توجیه پذیر کرده است.
هم چنین در دسترس بودن سوخت فسیلی در کشور، از دیگر دلایل توجیه پذیری بهره برداری از این نیروگاهها است. با توجه به اینکه در حدود80 درصد از برق تولیدی در دنیا توسط تبدیل انرژی از نیروگاه های با سوخت فسیلی - مانند مازوت، نفت سبک، گازوئیل و گاز طبیعی - تولید میشود و مابقی از سایر منابع مانند سدها، انرژی هستهای، انرژی باد، انرژی خورشید، انرژی زمین گرمایی و سایر انرژیها استحصال میشود و نیز اینکه بخش اعظمی از نیروگاه های موجود در کشور ما نیز از نوع سیکل بخار هستند
لذا ضروری است که جهت بهینه سازی سیکل این نیروگاه ها تحقیقات کافی صورت پذیرد. استفاده از قوانین اول و دوم ترمودینامیک به عنوان ابزارهای موجود و مفید برای تحلیل انرژی و اگزرژی سیستم های تبدیل انرژی، روشی مناسب به نظر میرسد. با این کار از میزان تلفات حرارتی و برگشت ناپذیری فرآیندها میتوان مطلع شد. تحلیل اگزرژی، که در سالهای اخیر رونق زیادی گرفته است. روش مناسب جهت درک فرآیندها است، که با استفاده از تحلیلهای آن راههایی برای استفاده بهینه از نیروگاه های موجود می-توان تدوین کرد
تحلیل اگزرژی، ابزاری مفید برای ظاهر کردن تفاوت بین تلفات انرژی با برگشت ناپذیریهای داخلی در یک فرایند است
کوتاس و زارگوت از روش تحلیل اگزرژی برای تحلیل حرارتی، شیمیایی و متالوژیک نیروگاهها استفاده کردند که کوتاس[5] از دیاگرامهای گراسمن، که در آن هر جریان با اگزرژی خود بیان شده، برای تعیین اگزرژی جریان ها در یک سیستم استفاده کرده است. او همچنین مباحث اقتصادی گرمایی و بهینه سازیهای اقتصادی سیستمهای ترمودینامیکی را بیان میکند. تحلیل اگزرژی، روش مناسب برای سنجش کارکرد اجزای فرایند است. با این روش میتوان اگزرژی نقاطی را که در آن ها تبدیل انرژی صورت میگیرد، به دست آورد، بازده اجزای سیکل را محاسبه کرد، همچنین میتوان محل وقوع بیشترین تلفات را شناسایی و برای کاهش آنها تلاش کرد.
روزن و دینسر[8] تحلیل اگزرژی را بهترین ابزار برای تصمیم گیری در جهت بهینه سازی سیکل با توجه به اطلاعات ورودی معرفی میکنند. وثوق[9] به تحلیل انرژی و اگزرژی در بویلر یک نیروگاه بخار پرداخت و به این نتیجه رسید که با کم کردن مقدار هوای اضافی احتراق از کسر 0/4 به 0/15، بازده های انرژی و اگزرژی به ترتیب به مقدار 0/19 درصد و 0/37 درصد افزایش مییابند. همچنین با کم کردن دمای دود خروجی از دودکش از 137 œC به 90œC بازدههای مذکور به ترتیب به مقدار 0/84 درصد و 2/3 درصد افزایش مییابند.
عبدالسعید گنجی و همکاران به منظور بهینه سازی بویلر های بازیاب حرارتی در نیروگاه های سیکل ترکیبی، این تجهیزات را از نظر انرژی و اگزرژی تحلیل کردند. از جمله پارامترهایی که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفتند فشار درام و چیدمان مبدل های حرارتی در بویلر های بازیاب حرارتی2 ، برای قسمتهای فشار قوی و فشار ضعیف بود.
کاوشیک و همکاران [11] به تحلیل انرژی و اگزرژی در نیروگاه های سیکل رنکین و سیکل ترکیبی پرداختند. از تفاوتهای این تحقیق با موارد مشابه به بیان خیلی دقیق و جزئیتر روند کار و ارائه کلیه روابط مورد نیاز برای شبیه سازی تک تک تجهیزات سیکل های رنکین و ترکیبی میتوان اشاره کرد، که مراجع خوبی برای کارهای آینده می توانند باشند. آن ها به این نتیجه رسیدند که بر خلاف اینکه بیشترین اتلاف انرژی در کندانسور اتفاق میافتد، اما بیشترین اتلاف اگزرژی در بویلر و در حین فرآیند احتراق است. این موضوع میتواند به خاطر فرآیند ناقص احتراق، عایق کاری نا مناسب حرارتی و تولید آنتروپی در این دستگاه باشد.
ردی و همکاران [12] در تحلیل اگزرژی سیکل ترکیبی به نتایج جالبی دست یافتند. آنها به این نتیجه رسیدند که محفظه احتراق توربین گاز به عنوان بیشترین عامل تولید اگزرژی در کل سیکل است و با افزایش نسبت تراکم در کمپرسور توربین گاز، اتلاف اگزرژی در سایر تجهیزات را میتوان کاهش داد.
عامری و همکاران [13] به تحلیل اگزرژی نیروگاه سیکل ترکیبی 420 مگاواتی نکا در ایران پرداختند. نتایج این تحقیق نشان داد محفظه احتراق، توربین گاز، کانال ثانویه احتراق3 و بویلر بازیاب حرارتی به عنوان اصلیترین منابع تولید برگشت ناپذیری هستند که 83 درصد از کل اتلاف اگزرژی نیروگاه را شامل میشوند. اصلیترین منبع اتلاف اگزرژی نیز محفظه احتراق توربین گاز شناخته شد. دومین منبع تولید اگزرژی بویلر بازیاب حرارتی بوده که با کار بر روی آن اتلاف اگزرژی نیروگاه را میتوان کاهش داد.
ایسام الجوندی [14] به تحلیل انرژی و اگزرژی در نیروگاه الحسین در کشور اردن پرداخت و به این نتیجه رسید که با پیش گرم کردن4 هوای ورودی به بویلر و کم کردن نسبت سوخت به هوا، اتلاف اگزرژی در بویلر - که به عنوان اصلیترین عامل اتلاف اگزرژی شناخته شده - را میتوان کاهش داد.
احمدی و همکاران [15] به تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه بخار همدان پرداخته و تأثیر تغییرات دمای محیط و نوسانات بار واحد بر بازده کلی را مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که پیش گرم کردن هوای ورودی به بویلر باعث افزایش بازده میشود و به منظور افزایش بازده بهتر است که نیروگاه همیشه در بار نامی خود کار کند. آن ها همچنین هزینه افت اگزرژی در تک تک تجهیزات را محاسبه کردند.
حسین اردن و همکاران [1] به تحلیل ترمودینامیکی نه نیروگاه در کشور ترکیه پرداخته و بهترین حالتهای کاری آنها را به جهت افزایش بازده پیشنهاد کردند.
توضیح سیکل نیروگاه
نیروگاه شهید منتظری اصفهان در 15 کیلومتری شمال غرب اصفهان و در کنار بزرگراه اصفهان-تهران، جنب پالایشگاه اصفهان در زمینی به مساحت 2/2 میلیون متر مربع احداث گردیده است. نیروگاه شامل 8 واحد بخار مشابه با ظرفیت هر واحد 200 مگاوات است که مشخصات فنی هر واحد در جدول1 بیان شده است. سیکل حرارتی نیروگاه یک سیکل رنکین است، که فرآیند حرارتی آن در شکل1 به صورت مختصر مشاهده میشود. هر یک از واحدهای این نیروگاه دارای مدار آب و بخار به شرح زیر است:
آب مقطر با دمای45/6 درجه سانتیگراد از کندانسور وارد پمپهای مرحله اول شده و تا 9 اتمسفر تحت فشار قرار میگیرد. سپس وارد پالیشینگ پلنت شده و با عبور از فیلترها درجه خلوص آن افزایش می یابد. در مرحله بعد پس از عبور آب از اجکتور و گلند کندانسور توسط پمپ های مرحله دوم فشار آن تا 19/5 اتمسفر افزایش یافته و پس از عبور از گرم کن فشار ضعیف شماره 1 و گلند کولر، وارد گرم کن های فشار ضعیف میشود. در گرم کن های فشار ضعیف، آب تغذیه توسط بخار گرفته شده از توربین تا دمای 157 درجه گرم میشود.
آب خروجی از گرم کن های فشار ضعیف وارد دیاراتور شده و در این مرحله تحت فرآیند گاز زدایی قرار میگیرد. سپس توسط پمپهای تغذیه بویلر تحت فشار 180 اتمسفر قرار گرفته و به گرم کن های فشار قوی هدایت میگردد. در گرم کن های فشار قوی، آب تغذیه تا 245 درجه سانتی گراد گرم شده و با گذشتن از اکونومایزر و جذب حرارت دود خروجی از بویلر به دمای320 درجه رسیده و به درام وارد میشود.
در بویلر پس از ورود آب از درام به لوله های دیواره ای و انتقال حرارت از طریق مشعلها، آب و بخارمجدداً وارد درام شده و بخار آن جدا میشود و به سوپر گرمکن ها هدایت میشود و تا540 درجه گرم این نرم افزار به ما کمک میکند تا بتوانیم ضمن استفاده بهینه ازمیشود. بخار خشک خروجی از بویلر با فشار130 اتمسفر و درجه قابلیت های ترمودینامیکی موجود در کتابخانه آن، به صورت مناسبی حرارت 540 درجه وارد توربین فشار قوی میشود. بخار خروجی از مقدار بهینه پارامتر های مد نظر را بدست آوریم.
در ادامه به انجام توربین فشار قویمجدداً در بویلر تا540 درجه گرم شده و با فشار24/5 محاسبات و تشریح نحوه اعمال قوانین اول و دوم ترمودینامیک برای اتمسفر وارد توربین فشار متوسط میگردد و پس از خارج شدن ازتجهیزات میپردازیم. قانون اول ترمودینامیک و معادله اصلی موازنه توربین فشار متوسط وارد توربین فشار ضعیف میشود
توربین فشار ضعیف نیز در کندانسور با آب خنک شده مخلوط گردیده و به آب تبدیل میشود ومجدداً همین مسیر را طی مینماید.
جدول:1 مشخصات کلی واحدها
جدول :2 مشخصات ترمودینامیکی نقاط مختلف سیکل - - 25-1
تحلیل
جهت تحلیل انرژی و اگزرژی در سیکل حرارتی آب و بخار نیروگاه، معادلات موازنه جرم، انرژی و اگزرژی برای یک حجم معیار در حالت ضمن استخراج پارامترهای ترمودینامیکی مورد نیاز تمامی نقاط سیکل پایا با صرف نظر از جملات انرژی جنبشی و پتانسیل به ترتیب به در شرایط طراحی از اطلاعات موجود در آرشیو نیروگاه - در جدول به صورت زیر بیان میشوند:
در ادامه و با اعمال معادلات بقای جرم، بقای انرژی و اگزرژی برای هر حجم معیار، ضمن بدست آوردن مقادیرپارامترهای مجهول، وضعیت تجهیز از لحاظ بازده انرژی و اگزرژی مشخص میشود. این کار با استفاده از نرم افزارEES انجام شده است.
