بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش به تحلیل ترمودینامیکی سیکل رانکین نیروگاه بخار با بازیاب پرداخته می شود. سیکل نیروگاه شامل دو پمپ تغذیه بویلر، توربین بخار با بازیاب، دو گرمکن یکی از نوع باز و یکی از نوع بسته، و یک کندانسور می باشد. موازنه انرژی و اگزرژی برای اجزای سیکل انجام شده است.نتایج راندمان انرژی و مقدار بازگشت ناپذیری به صورت نمودار نشان داده شده است. فشار بویلر در این سیکل از 180 تا 220 بار متغیر است. همچنین برای هر فشار، دما بین 540 تا 640 تغییر داده شده است. نتایج عددی نشان می دهد که راندمان انرژی و مقدار کار توربین با افزایش فشار و دمای بویلر افزایش می یابد. همچنین میزان بازگشت ناپذیری ها در توربین و بویلر، با افزایش دما و فشار بویلر کاهش می یابد. فشار کندانسور نیز در محدوده 0/1 تا 1/5 بار تغییر میکند و نتایج حاصل از پژوهش نشان می دهد که با افزایش فشار کندانسور، راندمان و مقدار کار مفید سیکل کاهش پیدا می کند. بر اساس نتایج بدست آمده، بیشترین میزان بازگشت ناپذیری برای بویلر محاسبه شده است. تحلیل انرژی و اگزرژی سیستم، دید بسیار بهتری جهت بهبود عملکرد دستگاهها و کاهش تلفات انرژی می دهد.
مقدمه
از آنجا که نیروگاههای حرارتی از مهمترین مصرف کنندگان سوختهای فسیلی به حساب می آیند، بهینه سازی و کاهش مصرف سوخت در این نیروگاه ها علاوه بر بهره وری اقتصادی، کمک شایانی به کاهش آلایندگی محیط زیست و تامین انرژی کشور خواهد نمود. به همین منظور بهره وری انرژی در نیروگاههای بخار، در سالهای اخیر مورد توجه خاص قرار گرفته است. مقدار کار خروجی از دستگاه، هنگامی که فرآیند با سیکل کارنو عمل کند به بیشترین مقدار خواهد رسید. هنگامی یک سیستم به بیشترین کار ممکن می رسد که تحت یک فرآیند برگشت پذیر به حالت مرده - شرایط محیط - برسد. با توجه به مصرف انرژی زیاد در نیروگاههی بخار و مسائل زیست محیطی مربوط به آنها، تحلیل ترمودینامیکی و پژوهش در این زمینه از اهمیت خاصی برخوردار است. نیروگاه هایی که از بخار به عنوان سیال واسطه استفاده می کنند اساس عملکرد آنها، سیکل رانکین است. تحلیل قانون دوم ترمودینامیک در این سیکل ها نشان می دهد که چه مقدار بازگشت ناپذیری در اجزای مختلف سیکل وجود دارد و کدام بخش بیشترین میزان بازگشت ناپذیری و تلفات انرژی را دارا می باشد. برای ارزیابی و تحلیل قانون دوم ترمودینامیک، لازم است که با مفهوم اگزرژی آشنا شد.
اگزرژی یا دسترس پذیری خاصیتی است که با آن می توان قابلیت تبدیل مقدار معینی انرژی در حالت مشخص، به کار مفید را تعیین کرد. از آنجا که اگزرژی بعلت تولید آنتروپی در طول فرآیند، مصرف و تخریب می گردد، برای تعیین میزان تلفات و تخریب اگزرژی، بایستی تحلیل ترمودینامیکی صورت پذیرد. تحلیل اگزرژی روشی است که کمک می کند تا اجزایی که دارای بیشترین تلفات انرژی هستند مشخصص گردد. با این روش می توان اگزرژی نقاط و اجزای مختلف سیکل را محاسبه کرد، راندمان کل سیکل و همچنین راندمان اجزای سیکل را بدست آورد و محل وقوع بیشترین تلفات را شناسایی و برای کاهش آنها اقداماتی را انجام داد. اصلاحاتی بر روی عملکرد این اجزا بایستی صورت پذیرد تا راندمان افزایش پیدا کند. سیکل ترمودینامیکی با حداقل کردن بازگشت ناپذیری ها بهینه می شود. در حالت بار کامل سیکل، دما و فشار بویلر بایستی به بیشترین حد آن برسد. نتایج نشان داد که با افزایش دما و فشار بویلر، راندمان و کار مفید تولیدی سیکل افزایش پیدا می کند. با این حال، برای افزایش دمای بویلر و بخار مافوق گرم، محدودیتهای متالورژیکی وجود دارد.
در حال حاضر تقریبا %80 برق در جهان از نیروگاههای حرارتی با سوخت های فسیلی تولید می شوند و در این بین، نیروگاههای بخار سهم قابل توجهی از تولید برق در ایران را تشکیل می دهند. این در حالی است که تعداد قابل توجهی از نیروگاههای بخار با وجود عمر نه چندان زیاد، دارای راندمان قابل قبولی نیستند. از جمله اقداماتی که می توان در زمینه بهبود وضعیت تولید نیروگاههای بخار و بالا بردن راندمان آنها می تواند مورد توجه قرار بگیرد، بررسی اثر بازگرمایش و تاثیر آن بر روی این نیروگاهها است. بازیابی و گرمایش مجدد بخار در سیکل نیروگاههای بخار دارای اهمیت است زیرا که کیفیت بخار ورودی به توربین را افزایش داده و از خوردگی پره های توربین جلوگیری می کند و همچنین راندمان حرارتی نیروگاه را افزایش می دهد. اثر گرمایش مجدد تنها، بر روی راندمان حرارتی سیکل کم است. گرمکن های آب تغذیه از نوع مدار باز و مدار بسته، تاثیر قابل توجهی بر روی راندمان و بهره وری سیکل دارد. به همین علت استفاده از آنها می تواند موجب بهبود عملکرد سیکل شود و در این پژوهش نیز از هر دو نوع آن استفاده شده است.
تاکنون تحقیقات زیادی در رابطه تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاههای بخار صورت گرفته است.[1-4] از جمله می توان به کار داینس و روزن اشاره کرد، که در آن به تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه بخار با پیش گرمایش برای حالت های مختلف راه اندازی و دما و فشار بویلر پرداخته شده است. [5] کاشیک و همکارانش به مقایسه تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاههای حرارتی ذغال سنگی و گازی پرداختند .[6] سنگوپتا و همکارانش به تحلیل اگزرژی یک نیروگاه حرارتی رغال سنگی با تقسیم کردن کل نیروگاه به سه ناحیه پرداختند .[7] احمدی و طغرایی به تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه بخار شهید منتظری اصفهان پرداختند ..[8] حبیب، تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه گازالان در عربستان، جهت شناسایی تجهیزات با تخریب انرژی بالا را انجام داد .[9] هستی، به تحلیل انرژی و اگزرژی یک نیروگاه فوق بحرانی با سوخت زغال سنگ پرداخت و یک مدل رایانه ای توسعه یافته در اکسل ارائه داد و کاهش تلفات اگزرژی در کوره و بازیابی بخشی از آن را توسط پیش گرمایش هوا بررسی نمود .[10] کوپک و همکارانش در پژوهش خود به تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه حرارتی کاتالاقزی در ترکیه پرداختند و تاثیر دمای محیط بر روی راندمان های انرژی و اگزرژی و همچنین بر میزان بازگشت ناپذیری اجزای سیکل را بررسی نمودند .[11]
در این مقاله به تحلیل انرژی و اگزرژی سیکل یک نیروگاه بخار با ظرفیت مشخص، پرداخته شده است. با توجه به مطالعات انجام شده، مهمترین عامل تلفات اگزرژی، بویلر است. تاثیر افزایش دما و فشار بویلر بر روی راندمان و کار مفید تولیدی دستگاه مورد بررسی قرار گرفته است. محدوده تغییر دما بین 540 تا 640 درجه سانتیگراد و محدوده تغییر فشار بویلر بین 180 تا 220 بار در نظر گرفته شده است. همچنین تاثیر فشار کندانسور بر راندمان سیکل و میزان بازگشت ناپذیری اجزاء بررسی شده است. محدوده فشار کندانسور بین 0/1 تا 1/5 بار فرض شده است. برای حل معادلات ترمودینامیکی از نرم افزار EES استفاده شده است.
تحلیل ترمودینامیکی
عملکرد سیکل
دیگرام سیکل تولید توان نیروگاه در شکل 1 نشان داده شده است. این سیکل شامل بویلر، توربین بخار، کندانسور، گرمکن آب تغذیه نوع مدار باز، گرمکن آب تغذیه نوع مدار بسته و دو پمپ می باشد.
