بخشی از مقاله
چکیده
تولید، مصرف و توزیع انرژی به عنوان یکی از کلیدی ترین شاخص های توسعه یافتگی و پیشرفت محسوب می شود. به همین دلیل طراحی سیستم های نو و بهینه سازی سیستم های در حال کار، باید شامل تحلیل کاملی از انرژی و اگزرژی باشد. تحلیل اگزرژی به همراه انرژی، امکان بررسی دقیق و پیدا کردن عوامل موثر بر افزایش بهره وری را فراهم می کند. در این کار یک نیروگاه سیکل بخار به صورت کامل مورد بررسی و تحلیل انرژی و اگزرژی قرار گرفت. با توجه به نتایج بدست آمده از تحلیل انرژی مشخص شد که تلفات انرژی عمدتا در بویلر و توربین روی می دهد، در حالی که تلفات از کندانسور با توجه به وجود مبدل های تغذیه کمترین مقدار است. از سوی دیگر تحلیل اگزرژی نشان داد که بیشترین تلفات اگزرژی در بویلر اتفاق می افتد. عوامل موثر در این تحقیق، دبی بخار، دبی سوخت و نمودار ترمودینامیکی سیکل با توجه به اطلاعات فشار و دما و همچنین توان تولید شده نیروگاه است.
واژه های کلیدی: نیروگاه بخار- انرژی- اگزرژی-ترمودینامیک- راندمان قانون دوم- راندمان قانون اول
مقدمه
در خلال دو دهه ی پیشین، با بالارفتن قیمت انرژی و آسیب های زیست محیطی و نیز محدود بودن منابع انرژی های تجدیدناپذیر - سوخت های فسیلی - استفاده از سیستم های تولید و تبدیل انرژی با راندمان بیشینه جهت صرفه جویی در این منابع ارزشمند اهمیت بیشتری یافته است. امروزه تولید انرژی پارامتری مهم برای همه ی کشورها محسوب می شود و استفاده از آن نیازمند برنامه دقیقی است. نیروگاه های تولید انرژی الکتریکی یکی از سیستم های تولید انرژی با محرک سوخت هستند.[1] سهم تولید انواع نیروگاه ها درایران بشرح زیر است: نیروگاه های بخار 35 درصد، نیروگاه های گازی 24/5 درصد، سیکل ترکیبی 23/5 درصد، نیروگاه های آبی 17 درصد. به همین سبب، تحقیق و بهینه سازی سیکل های بخار به دلیل قدیمی بودن طراحی برخی نیروگاه ها و بیشترین سهم آن ها در تولید برق ایران قابل توجه است. [2]
تحلیل اگزرژی روشی است برای ارزیابی عملکرد دستگاه ها و فرآیندها و شامل تعیین کردن اگزرژی در نقاط مختلف همراه با بقا انرژی می باشد. با این اطلاعات راندمان ها می توانند مورد ارزیابی قرار گیرند و فرآیندهایی که بیشترین تلفات را دارند مشخص گردند. تحلیل اگزرژی دیدگاه واقع بینانه تری از فرآیندها را در مقایسه با انرژی فراهم می کندو ابزار مفیدی برای ارزیابی مهندسی است. تحلیل اگزرژی به منزله کلیدی برای درک بهتر فرآیند ها و برای تشخیص کیفی انرژی است. تحلیل اگزرژی شامل دو مرحله است، مرحله اول شناسایی و بررسی فرآیندهای نامطلوب ترمودینامیکی سیستم، بر پایه تعیین اتلاف اگزرژی و مرحله بعدی تلاش جهت به حداقل رساندن این اتلافات می باشد.[3]
امروزه بسیاری از محققان مطالعات خودشان را به تحلیل اگزرژی وافزایش راندمان تک تک اجزاء یک سیستم قدرت اختصاص داده اند،ازجمله مطالعاتی که در این زمینه انجام شده کار احمدی و همکاران برای نیروگاه شهید منتظری می باشد. در این تحقیق کندانسور به عنوان بیشترین تلف کننده انرژی، که 69/8 درصد از کل انرژی سیکل را تلف می کند، معرفی شده است، درحالی که تلفات اگزرژی آن 5/1 درصد است. اما بویلر61/10 و 58/6 درصد به ترتیب اتلاف انرژی و اتلاف اگزرژی را شامل می شود.[4] در تحقیقی مشابه دانش برای نیروگاه بخار پالایشگاه اصفهان پس از تحلیل اگزرژی مشخص کرد که بویلر بیشترین تلفات اگزرژی معادل 61/2 درصد از کل اگزرژی ورودی به سیکل را شامل می شود. [2]
همچنین در تحقیقی دیگر الجوندی و همکاران نشان دادند بیشترین انرژی از دست رفته یک نیروگاه در اردن متعلق به کندانسور بوده که 66 درصد از کل انرژی دریافتی نیروگاه بوده است، همچنین بیشترین تلفات اگزرژی، در بویلر به میزان 77 درصد معرفی شده و همچنین راندمان سیکل را 26 درصد محاسبه کرده اند. [5] به طورکلی طبق تحقیقات انجام شده در نیروگاه های بخار، معمولا بیشترین اتلافات انرژی متعلق به کندانسور و بویلر بوده و بیشترین اتلافات اگزرژی هم مربوط به همین دستگاه ها می باشد. البته درنیروگاه های مختلف با توجه به نوع طراحی ها، شرایط محیطی و تمهیداتی که نیروگاه ها اندیشیده اند، درصد اتلافات متغیر می باشد.[6] در این تحقیق به تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه مشهد - واحدبخار - پرداخته شده است و در انتها راهکارهایی درباره افزایش راندمان اگزرژی نیروگاه مورد نظر بیان شده است.
-2 معرفی نیروگاه ：
نیروگاه بخاری که مد نظراست، 59/1 مگاوات ساعت قدرت داشته و در موقعیت 1050 متری از سطح دریا قرار دارد. این نیروگاه در اواسط سال 1343 هجری شمسی رسما شروع بکارکرده است وحدود 52 سال قدمت دارد. سوخت نیروگاه گاز طبیعی بوده و از مشعل های گازی استفاده می شود. سیکل نیروگاه، سیکل رنکین با چهار گرمکن آب تغذیه می باشد. این گرمکن ها به ترتیب بعد از چگالنده و پمپ، دو مبدل بسته فشار ضعیف - پیش گرمکن - آب تغذیه و دو مبدل بسته فشار بالا می باشند.
-3 تحلیل نزرژی :
در تحلیل اگزرژی با ادغام قانون اول و دوم ترمودینامیک، این امکان فراهم می آید که روش مطلوب تحلیل سیستم های انرژی و همچنین شناخت واضح سطوح انرژی و فرآیندهای نامطلوب ترمودینامیکی یک سیستم مشخص گردد.[7] طبق قانون دوم ترمودینامیک در هر فرآیند واقعی، آنتروپی تولید شده متناسب با از دست رفتن اگزرژی و نابودی آن در طی فرآیند می باشد. بنابرتعریف، اگزرژی حداکثر کارمفیدی است که از مقدار مشخصی از انرژی موجود یا از جریانی از مواد حاصل می شود. در تحلیل اگزرژی هدف تعیین محل و مقدار تولید بازگشت ناپذیری ها در طی فرآیندهای مختلف سیکل و عوامل موثر بر تولید این بازگشت ناپذیری هاست.
در آین فرآیند سعی می شود با به کارگیری همزمان قوانین اول و دوم ترمودینامیک و استفاده از محیط پیرامون به عنوان حالت مرجع، بیشترین کار قابل تولید در سیکل به دست آید. [8] معادلات پیوستگی، انرژی و اگزرژی برای یک حجم کنترل در فرآیندی پایا با صرف نظر کردن از تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل به صورت ذیر بیان می شود.[9] قانون اول ترمودینامیک و معادله موازنه اگزرژی اصلی:
