بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به تحلیل انرژی و اگزرژی در سیکل نیروگاه بخار پتروشیمی خراسان می پردازد. ابتدا محاسبات انرژی سیکل به روش تحلیلی انجام شده و نتایج بدست آمده با نتایج نرم افزار شبیه ساز ترموفلو مقایسه می شود. سپس تحلیل اگزرژی برای تک تک اجزای سیکل صورت گرفته و نقاطی با بیشترین اتلافات اگزرژی شناسایی می شوند، نتایج بدست آمده نشان می دهدکه بیشترین اتلافات اگزرژی در بویلر رخ داده که حدود 83% از کل اتلاف اگزرژی سیکل را در برمی گیرد.در پایان اثر دمای محیط مرجع برمیزان بازگشت ناپذیری در تک تک اجزای سیکل مورد بررسی قرار می گیرد و مشخص می شود که با وجودی که افزایش دما بازگشت پذیری در کندانسوررا کاهش می دهد، بازگشت ناپذیری در بویلر وکل سیکل را بتدریج بیشتر می کند.
مقدمه
امروزه استفاده موثر از انرژی یکی از عوامل بسیار مهم در رشد توسعه اقتصادی کشورها به ویژه کشورهای صنعتی به شمار می رود. محدود بودن منابع سهل الوصول انرژی مانند سوخت های فسیلی متخصصین را بر آن داشته تا در بهینه ساختن فرایندهای انرژی بر تلاش نموده و مصرف انرژی را در آنها به حداقل ممکن برسانند.
روش متداول برای ارزیابی یک فرایند فیزیکی یا شیمیایی از لحاظ انرژی، نوشتن معادله بقای انرژی بر اساس قانون اول ترمودینامیک می باشد که از آن برای کاهش اتلاف حرارت و یا افزایش بازیابی حرارتی می توان استفاده کرد، این روش افت کیفیت انرژی موجود در فرایند را در نظر نمی گیرد. روش تحلیل اگزرژی بر این محدودیت قانون اول ترمودینامیک غلبه می کند. روش آنالیز اگزرژی یک روش آنالیز ترمودینامیکی است که اتلاف ترمودینامیکی را بر اساس هر دو قانون اول و دوم ترمودینامیک برآورد می کند.
نیروگاه ها معمولا با آنالیز انرژی مورد آزمایش قرار می گیرنداما همانطور که گفته شد بایک بررسی کامل ترمودینامیکی کامل، یعنی استفاده از قانون دوم ترمودینامیک در کنار آنالیز انرژی، فهم بهتری حاصل خواهد شد. واضح است که آنالیز اگزرژی نیروگاه ابزار قدرتمندتری نسبت به آنالیز انرژی می باشد.
طبق محاسبات انجام شده، در نیروگاه الحسین اردن دیگ بخار منبع عمده بازگشت ناپذیری بوده است. اگزرژی تلف شده در محفظه احتراق متاثر از مقدار بیش از حد هوا ودرجه حرارت هوای ورودی است که می توان توسط پیش گرمایش هوای احتراق وکاهش نسبت هوا به سوخت اتلافات را کاهش داد. دمای محیط مرجع بر میزان اتلافات اگزرژی در تک تک تجهیزات سیکل بررسی شده که این دما باعث کاهش نرخ بازگشت ناپذیری در کندانسور و افزایش نرخ بازگشت ناپذیری در توربین و بویلرگردیده است
در تحلیل اگزرژی نیروگاه شهید رجایی که انجام گرفته است به ازای تغییرات دما و فشار در خروجی بویلر این نیروگاه، بازگشت ناپذیری در بویلر و بازده اگزرژی در هر مرحله محاسبه شده و معلوم شده که بیشترین اتلافات اگزرژی در نیروگاه مربوط به بویلراست که درحدود % 75 نرخ بازگشت ناپذیری کل نیروگاه و سپس کندانسور و بعد توربین ها و گرمکنهای فشار قوی و ضعیف میباشد. و با افزایش دما وفشار خروجی بویلر میزان بازده اگزرژی بویلر و بازده اگزرژی سیکل افزایش پیدا می کند.
در این مقاله حجم کنترل نیروگاه را به عنوان یک حجم کنترل کلی در نظر می گیریم و سپس برای تک تک تجهیزات بصورت جداگانه معادلات قانون اول ودوم ترمودینامیک نوشته می شود و محاسبات آنها انجام می گیرد.
هدف از این مقاله تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه بخار پتروشیمی خراسان می باشد.
مشخصات نیروگاه
نیروگاه مجتمع پتروشیمی خراسان تامین کننده اصلی برق مجتمع و بخار مصرفی واحدهای تولیدی می باشد و دارای چهار بویلر 70 تنی ساخت مکی ایتالیا و سه توربین ژنراتور 8 مگاواتی ساخت شرکت زیمنس است.میانگین تولیدی بخار توسط بویلر ها در حالت نرمال حدود190 تن در ساعت می باشد که 115 تن بر ساعت آن به واحدهای تولیدی ارسال می شود و مابقی آن در نیروگاه صرف تولید برق می شود. برق تولیدی ژنراتورها با ولتاژ6 KW و فرکانس 50 هرتز بوده و بطور میانگین حدود11 MWبرق در مجتمع مصرف می شود . این نیروگاه بخار بر اساس چرخه رانکین طراحی شده است که بطور خلاصه سیکل آن توضیح داده می شود:
آب تصفیه شده از واحد آب به نیروگاه ابتدا وارد مبدل شده و با آب کندانس برگشتی از واحد نیروگاه تبادل دما می کند. در دی اریتور به وسیله اختلاط با بخار - فشار پایین - اکسیژن زدایی وگاز زدایی می شود. سپس آب وارد پمپ شده و فشار آن تا 61 bar افزایش داده می شود. از آنجا آب وارد هدر BFW می شود و سپس تزریق به اکونومایزر شده و با دود حاصل از احتراق داخل کوره که در حال خارج شدن به سمت دودکش می باشد تبادل دما می کند ودمای ان تا 160C بالا می رود . پس از آن آب پیش گرم شده وارد بویلر می شود، بخار با فشار43 bar و دمای440 C تولید می شود. حدود یک سوم از بخار تولیدی بویلر در توربین ا نیروگاه صرف تولید برق مجتمع و مابقی آن دیگر در واحدهای تولیدی استفاده می شود.
بخاری که از توربین ها خارج می شود انرژی خود را داده است بطوریکه فشار خروجی تا 0/2bar کاهش یافته است.
به منظور جلوگیری از دورریز آب و هزینه بالای تولید آب تصفیه شده که تبدیل به بخار می شود، بخار خروجی از توربین ها جمع آوری شده و وارد یک کندانسور هوایی می شود. این بخار وارد یک سری لوله با قطر کمتر شده و در اثر تبادل دما با هوای محیط که توسط فن ها که تعداد آنها ده عدد می باشد، به سمت لوله هایی با قطر کمتر دمیده می شود. دمای بخار کاهش پیدا می کند و بخار به کندانس تبدیل می شود.آب کندانس شده بعد از عبور از مبدل پیش گرم کن آب ورودی به واحد آب فرستاده می شود.
تحلیل اگزرژی در نیروگاه
قابلیت تبدیل به کار مفید برای انرژی موجود در سیستمی که در یک فرآیند برگشت پذیر از حالت اولیه مشخصی به حالت محیط یعنی حالت مرده برسد، ماکزیمم کار مفیدی است که از آن سیستم می توان بدست آورده و به آن اگزرژی گویند. اگزرژی خاصیتی است که در یک حالت مشخص به شرایط محیط - حالت مرده - و به خواص سیستم بستگی دارد و خاصیتی ترکیبی است. درصورتیکه انرژی خاصیتی است که فقط به حالت سیستم بستگی دارد.
کار بازگشت پذیر - - Wrev ماکزیمم مقدار کار مفیدی است که سیستمی بین حالتهای مشخص اولیه و نهایی در فرآیند بازگشت پذیر تولید میکند. اگر حالت نهایی حالت مرده باشد، کار بازگشت پذیر با اگزرژی برابر میشود. اختلاف بین کار بازگشت پذیر و کار مفید - Wu - را بارگشت ناپذیری - I - و یا اتلاف اگزرژی - . - Xdestruc گویند،که منبع تلفات عملکردی است. معادلات بقای جرم و انرژی و موازنه اگزرژی برای یک حجم کنترل در فرآیندی پایا با صرفنظرکردن از تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل به ترتیب بصورت زیر بیان میشود.
برای حالت پایا و انتخاب هر یک از اجزای نیروگاه طبق شکل1 به عنوان حجم کنترل، نرخ اتلاف اگزرژی - نرخ بازگشت ناپذیری - و بازده اگزرژی - قانون دوم - برای بویلر، پمپها، هیترها، توربین، کندانسور و کل سیکل بصورت روابط ذیل محاسبه می شوند:
شکل :1 طرح شماتیک سیکل نیروگاه بخار پتروشیمی خراسان
پمپ ها نیز بر اساس رابطه زیر حساب شده است که ترکیب بازده پمپ و الکتروموتور است.
با توجه به گزارش آزمایشگاه پتروشیمی خراسان آنالیز ترکیب گاز طبیعی خوراک ورودی به بویلرها بصورت جدول 1 می باشد:.
جدول :1 ترکیب درصد مولی گاز ورودی به بویلر مجتمع
بازده اگزرژی میتواند به چندین صورت تعریف گردد. با این وجود، تعریف فوق علاوه بر بازگشت ناپذیری انتقال حرارت در بویلر اتلافات اگزرژی احتراق سوخت و اتلافات اگزرژی گازهای خروجی از کوره را نیز در بردارد. اگزرژی سوخت بر اساس ارزش حرارتی پایین سوخت با LHV با ضریب اگزرژی 1/06 در نظر گرفته شده است.
