بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل اهمیت روزافزون انرژی، بهینهسازی سیستمهای تولید قدرت و کاهش مصرف انرژی آنها امری ضروری است. تحلیل سیستمهای تولید قدرت بر مبنای قانون دومترمودینامیک، که اصطلاحاً تحلیل اگزرژی خوانده می-شود، عوامل بازگشتناپذیری و اتلاف انرژی را در یک سیستم مشخص مینماید. اگزرژی به عنوان یکی از مفاهیم مهم قانون دوم ترمودینامیک، عبارت است از حداکثر کار مفیدی که به لحاظ تئوری از یک جریان ماده و یا انرژی قابل حصول میباشد.
نیروگاه سیکل ترکیبی موثرترین نوع نیروگاه در بین تمامی نیروگاهها میباشد، زیرا علاوه بر بازده و توان بالا، از مزایای دیگری همچون انعطافپذیری و راهاندازی سریع نیز برخوردار است. در این مقاله، ساختار و راندمان نیروگاههای کشور مورد ارزیابی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته و اقدامات انجام شده و مصرف سوخت در این نیروگاهها بررسی شده است.
-1 مقدمه
کشور پهناور ایران دارای منابع و ذخایر بزرگ انرژی است. در حال حاضر تعداد 85 میدان نفتی کشف شده در کشور وجود دارد. از لحاظ ذخایر گازی، ایران دومین مقام را در جهان دارد. ذخایر گازی باقیمانده در ایران در حدود 2616 تریلیون متر مکعب میباشد. منابع دیگر انرژی مثل ذغال سنگ و غیره نیز در کشور وجود دارد. با توجه به افزایش مصرف انرژی، محدود بودن منابع طبیعی، حرکت در راستای طرح توسعه پایدار و حفظ محیط زیست، بایستی تا حد امکان از هدر رفتن و تلف شدن انرژی جلوگیری شود.
برای این منظور بایستی در زمینه استفاده بهینه از منابع انرژی در کشور قدمهایی برداشته شود. در اوایل قرن بیستم میلادی، توربینهای بخار ساخته شدند و استفاده از آنها تاکنون در صنایع مختلف از جمله صنایع نیروگاهی ادامه داشته است. در حال حاضر، نیروگاههای بخار با ظرفیتهای بالا 1000 - مگاوات و بیشتر - و بازدهی بیشتر از %40 طراحی و ساخته شدهاند
عیب اصلی این نیروگاهها این است که از بخار به عنوان سیال کاری در دما و فشار بالا استفاده می-شود. تولید این بخار نیاز به تاسیسات گران و حجیم دارد. آرایش کلی این نیروگاهها به این شکل است که در بویلر در نتیجه احتراق، گاز داغ تولید شده و از انرژی این گازها برای تولید بخار فوق گرم استفاده میشود. بخار با دما و فشار بالا وارد توربین شده و کار انجام میدهد. واضح است که اگر گازهای داغ مستقیماً جهت به حرکت درآوردن توربین مورد استفاده قرار گیرد، نیروگاه به مراتب کوچکتر خواهیم داشت، زیرا مرحله تولید بخار حذف شده است. این ایده منجر به ساخت توربینهای گازی شد. توربینهای گازی در ابتدا به عنوان موتورهای محرک هواپیما در جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفتند و بعداً به عنوان موتورهای مولد قدرت محوری نیز بکار گرفته شدند
توربینهای گازی که در صنایع هوایی مورد استفاده قرار میگیرند، دارای نسبت فشار و دمای ورودی بالاتری نسبت به توربینهای گازی تولیدکننده توان هستند و بنابراین دارای بازده حرارتی بالاتری هم هستند. برای افزایش عملکرد آنها از تزریق بخار، خنککن میانی و بازگرمایش استفاده میشود. لیکن حتی پیشرفتهترین توربینهای هوایی نیز در دمای ورودی خیلی بالا به توربین 1600 - درجه سانتیگراد - و نسبت فشار بالا - 60 - در کمپرسور، دارای راندمانی نزدیک به %50 هستند که کمتر از راندمان سیکلهای ترکیبی نه چندان پیشرفته است. سیکلهای ترکیبی بر مبنای توربینهای گازی صنعتی با بازده بالا 38/5 - تا - 39/5، قادر به دستیابی به راندمان کلی %58 تا 60 هستن
یکی از مزیتهای سیکل توربین گازی، استفاده از حرارت گازها در دمای متوسط بالا میباشد. لیکن، دمای متوسط پایین سیکل، مقدار نسبتا بالایی را دارا میباشد. از طرفی سیکل بخار به دلیل محدودیتهای تکنولوژیکی - محدودیت دمای بخار ورودی به توربین بخار که در حدود 830 کلوین میباشد - ، دمای متوسط حداکثر پایینی را داراست و انتقال حرارت در کندانسور آن در دمای بسیار پایین صورت میگیرد. سیکل ترکیبی از دو مزیت دمای متوسط بالای توربین و دمای متوسط پایین سیکل بخار استفاده مینماید. هر دو عیب این دو سیکل نیز با استفاده از بویلر بازیاب حرارت برطرف میگردد. در واقع پیدایش سیکل ترکیبی بر پایه توربین گاز از آنجا آغاز شد که عدهای به فکر استفاده از حرارت اتلافی از خروجی توربینهای گاز افتادند.
باقیمانده این مقاله، به قرار زیر ادامه پیدا میکند: در بخش 2، پیشزمینه و پیشینه تحقیق مورد بررسی و بحث قرار گرفته است. در بخش 3 به بررسی نیروگاههای کشور از لحاظ راندمان، اقدامات انجام شده، و مصرف سوخت پرداخته شده و نهایتا در بخش 4، جمعبندی و نتیجهگیری نمودهایم.
-2 پیشینه تحقیق
پیشرفتهای چند دهه اخیر دنیا به صورت چشمگیری به انرژی الکتریکی وابسته بوده، به طوری که تقریبا یک سوم از مصارف منابع خام برای تولید انرژی الکتریکی استفاده میشود
کاهش و رو به اتمام بودن سوختهای فسیلی که بخش اعظم تولید انرژی را عهدهدار میباشند از یک سو و تولید آلایندهها و مشکلات زیست محیطی از سوی دیگر، بشر را به جایگزین نمودن روشهایی جدید برای استفاده بهینه از انرژی سوق میدهد. از آنجایی که خارج نمودن سوختهای فسیلی از چرخه تولید انرژی کاری تقریبا غیرممکن میباشد، میبایست از روشهایی نوین جهت استفاده بهینه از این سوختها بهره جست. طبق آخرین آمار ارائه شده، حدود %22/8 از برق تولیدی در ایران توسط نیروگاههای سیکل ترکیبی تولید میگردد.
از طرفی به دلیل راندمان بالای نیروگاههای سیکل ترکیبی - حدود - %44 و با توجه به قانون هدفمندسازی یارانهها که حاصل تغییر نگرش بازار انرژی و تمایل به سمت بازار آزاد در این عرصه میباشد، ساخت و بهرهبرداری از این نیروگاهها اثر قابل توجهی بر کارایی شبکه کلی تولید برق خواهد داشت. در برنامه پنجم توسعه اقتصادی-اجتماعی و سیاسی کشور مقرر گردیده که راندمان نیروگاههای حرارتی، سالانه به میزان یک درصد افزایش داشته باشد.
با نظر به اینکه سایر نیروگاههای حرارتی - نیروگاههای بخار، گازی، دیزلی و ... - دارای راندمانی کمتر از یک سیکل ترکیبی میباشند، لذا افزایش 26درصدی ظرفیت این نیروگاههای در برنامهریزی و دستورکار سالهای گذشته دولت قرار گرفته است. تحلیل و بهینهسازی نیروگاههای سیکل ترکیبی روشی مناسب جهت کاهش اتلافات حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان نیروگاهها، صرفهجویی در هزینههای تولید انرژی، کمک به خودکفا شدن در زمینه تولید برق و همچنین به حداقل رساندن آلودگیهای زیست محیطی میباشد.
در زمینه تحلیل فنی سیکلهای ترکیبی، عامری و همکارانش به بررسی و تحلیل اگزرژی یک نمونه سیکل ترکیبی 420 مگاواتی پرداختهاند و به تعیین راندمان اگزرژی و سهم هر کدام از اجزا در انهدام اگزرژی سیستم پرداختهاند. نتایج این تحقیق نشان میدهد که بیشترین بازگشتناپذیریها در محفظه احتراق و بویلر بازیاب حرارت رخ میدهد، همچنین اگر چه وجود داکت برنر موجب افزایش توان نیروگاه میگردد، ولی راندمان اگزرژی آن را کاهش میدهد.
همچنین Sarraf Borellia و همکارانش به تحلیل فنی و اقتصادی پارامترهای موثر در سیکل ترکیبی با در نظر گرفتن توابع هزینه برق تولیدی و راندمان اگزرژی پرداختهاند.
با توجه به اهمیت احتراق کمکی در پایداری سیکلهای ترکیبی در برابر تغییرات عوامل محیطی، مقالاتی نیز در این زمینه منتشر شدهاند، از جمله در یکی از تحقیقات بعمل آمده Dechamps و همکارانش به بررسی عملکرد سیکل ترکیبی در بار جزیی با در نظر گرفتن وجود یا عدم وجود احتراق کمکی در سیکل پرداختهاند
سیکلهای ترکیبی دارای تنوع ساختاری قابل توجهی هستند که از آن جمله تفاوت از لحاظ تعداد سطوح فشاری بویلر بازیاب حرارت است که چنین تفاوتهایی در کیفیت برق تولیدی از جنبههای فنی و اقتصادی موثر است. در تحقیقی Bassily به تاثیر پارامترهای اثرگذار بر کیفیت برق تولیدی یک نیروگاه ترکیبی سه فشاره بر اساس راندمان سیکل پرداخته است
Franco به تاثیر ترمودینامیکی متقابل توربین گاز و بویلر بازیاب حرارت در یک سیکل ترکیبی مقیاس کوچک پرداخته است. او در این تحقیق نشان داده که بهینه کردن بویلر بازیاب به وسیله تزریق بخار انجام میگیرد و این عمل باعث کاهش اختلاف دما بین جریانات گرم و سرد میگردد
Bracco و همکارش از یک مدل ریاضی برای بهینهسازی بویلر بازیاب حرارت تک فشاره یک سیکل ترکیبی به کمک قانون اول و دوم استفاده نمودهاند. مدل ریاضی موجود جهت پیدا نمودن فشار بهینه در بویلر بازیاب بکار گرفته شده و در انتها فشار بخار بهینه در تمام نقاط نیروگاه برای توابع هدف مختلف بدست آمده است
در تحقیقی In و Lee به بررسی و بهینهسازی بویلرهای بازیاب حرارتی از دیدگاه اگزرژی پرداختند، که از مقادیر اگزرژی طبیعی شده برای محاسبات انهدام اگزرژی در سیستم استفاده نمودند. همچنین تعدادی از متغیرهای مستقل - اختلاف دمای پینچ و اپروچ، دمای محیط - در انجام بهینهسازی مدنظر قرار گرفته و بعد از انجام بهینه-سازی مقادیر بهینه با توجه به الگوریتم بهینهسازی استخراج گردید
-3 بررسی نیروگاههای کشور از لحاظ راندمان، اقدامات انجام شده، و مصرف سوخت -1-3 وضعیت کنونی راندمان نیروگاههای کشور
در حال حاضر متوسط راندمان جهانی تولید برق برای نیروگاههایی که از سوخت فسیلی استفاده میکنند، %36 است و در برخی کشورها مانند ایتالیا این میزان به %45 میرسد. لازم به ذکر است که متوسط راندمان جهانی تولید برق از گاز %40 ، نفت %37 و ذغالسنگ %34 میباشد.
