بخشی از مقاله
خلاصه
به منظور افزایش کارایی سیکل توربین گاز برایتون1 از روش های مختلفی مانند خنک سازی هوای ورودی به کمپرسور و بالا بردن دمای ورودی به توربین و... استفاده میشود. در این مقاله تحلیل ترمودینامیکی سیکل برایتون واحد 11 نیروگاه سمنان براساس مفهوم اگزرژی انجام شده و بازگشت ناپذیری کل سیکل محاسبه گردیده است. اثر پارامتر مهمی مانند نسبت فشار کمپرسور بر روی بازگشت ناپذیری اجزاء و بازگشت ناپذیری کل سیکل تعیین شده است. برای این منظور کد رایانهای به زبان متلب2 نوشته شده که توسط آن بازگشت ناپذیری اجزا و سهم آن در بازگشت ناپذیری سیکل محاسبه شده و اجزایی که دارای میزان افت بالاتری هستند شناسایی شده و سپس راهکارهای بهینهسازی نیز ارائه گردیده است. نتایج حاصل از تحلیل نشان می دهد که بیشترین تولید بازگشت ناپذیری در محفظه احتراق اتفاق میافتد که در حدود 58/7 درصد، سپس در اگزوز 34/5 درصد، در توربین 4/5 درصد، و در کمپرسور 2/3 درصد بازگشت ناپذیری کل سیکل میباشد.
-1 مقدمه
مهمترین منابع انرژی در حال حاضر در کشور ما سوخت های فسیلی هستند که علاوه بر این که عمر محدودی دارند از عوامل اصلی در آلودگی محیط زیست نیز به شمار میروند. نیروگاه های حرارتی یکی ار مصرف کنندگان عمده انرژی فسیلی جهت تولید الکتریسیته میباشند که در حال حاضر بازده متوسط آنها در کشور، در حدود 30 درصد است. پایین بودن بازده در این واحدها علاوه بر این که باعث میشود قیمت هر کیلووات ساعت برق تولیدی بالاتر از مقدار واقعی آن باشد، مشکلات زیست محیطی عمدهای نیز در مناطقی که نیروگاهها در آن به فعالیت مشغول هستند، به وجود میآورد. از آنجایی که قانون دوم ترمودینامیک کنترل کننده محدودیتها، در تبدیل صورتهای مختلف انرژی به یکدیگر است به خوبی میتوان با استفاده از اگزرژی، میزان فقدان انرژی را در فرآیندهای واقعی تعیین کرد. کار بعدی این روش محل اتلاف انرژی را در یک فرآیند مشخص میکند و واحد های عملیاتی را که برای بهبود در اولویت قرار دارند نشان میدهد. نیروگاه سمنان مشتمل بر دو واحد گازی V94.2سری 5 بر اساس طرح نیام مپنا هر یک به ظرفیت 162 مگاوات میباشد.[1]
-2 مبنای کارکرد سیکل توربین گاز از دیدگاه ترمودینامیک
همانگونه که در تصویر شماره 1 مشاهده میگردد یک توربین گاز از نظر ترمودینامیکی براساس سیکل برایتون عمل میکند که در آن هوا بهصورت آیزنتروپیک در کمپرسور فشرده شده و پس از احتراق در فشار ثابت در محفظه احتراق، در توربین تا حد فشار محیط منبسط شده و انرژی تولید میکند . دیاگرام مربوط به این سیکل در حالت ایدهآل میباشد.[7] در عمل، فرآیند فشرده سازی هوا در کمپرسور و همین طور انبساط آن در توربین غیر آیزنتروپیک است. در ورود و خروج هوا و در محفظه احتراق نیز کاهش فشار وجود دارد و این فرایندها بهطور کامل ایدهآل نیستند. در نتیجه سیکل عملی برایتون کمی از حالت ایدهآل آن انحراف دارد. سیکل توربینهای گازی در دو نوع باز و بسته میباشد. در سیکل باز، گازهای خروجی از توربین به درون اتمسفر تخلیه میشوند که این سیکل بیشتر در موتورهای هواپیما مورد استفاده قرار میگیرد. در نوع بسته این سیکل، گازهای محترق شده که دمای بالایی دارند، دوباره در نقاطی از سیکل مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر آن میتوان از توربین گازی در سیکلهای ترکیبی با توربین بخار نیز استفاده کرد. در این سیکلها، گاز خروجی از توربین، برای حرارت دادن به بخار آب در بویلر توربین بخار مورد استفاده قرار میگیرد.[2]
تصویر شماره -1 سیکل برایتون توربین گاز.[4]
-1-2 اجزای اصلی توربینهای گازی
• کمپرسور
• محفظه احتراق
• توربین
• اگزوز.[4]
-3 روابط انرژی و اگزرژی حاکم بر اجزای سیکل هوای اتمسفر به صورت آیزنتروپیک در کمپرسور متراکم میشود، بدین ترتیب هوا از فشار P1 به P2 و دمای آن از T1 به 2 افزایش مییابد. بنابراین دمای هوای خروجی کمپرسور طبق رابطه - 1 - تعیین میگردد.
- 1 - T2 = T1. β - K−1 - /K
بر اساس رابطه - 2 - کار ورودی به کمپرسور برای واحد جرم هوا عبارت است از:
Wcomp = h2 − h1 = Cp. - T2 − T1 - - 2 -
طبق رابطه - 3 - گرمای فراهم شده به محفظه احتراق برای واحد جرم سیال عامل میشود.
Qin = h3 − h2 = Cp. - T3 − T2 - - 3 -
در توربین گاز یک چرخه ایده آل گازی، انبساط آیزنتروپیک در سیال عامل صورت میپذیرد. کار خروجی توربین بر واحد جرم سیال عامل به کمک رابطه - 4 - تعیین میگردد:
Wt = h3 − h4 = Cp. - T3 − T4 - - 4 -
بر اساس رابطه - 5 - دمای ورودی و خروجی توربین، با نسبت فشار متناسب است.
- 5 - T3 β - K−1 - /K = T 4
طبق رابطه - 6 - گرمای پس داده شده از توربین گاز برای واحد جرم گاز خروجی برابر است با:
Qexh = h4 − h1 = Cp. - T4 − T1 - - 6 -
با محاسبه کار کمپرسور و توربین، کار خروجی خالص چرخه بر واحد جرم هوای ورودی به صورت زیر طبق رابطه - 7 - به دست میآید:
Wnet = Wt − Wcomp - 7 -
با این تفاسیر راندمان حرارتی ɳt چرخه ژول به صورت نسبت کار خروجی خالص چرخه به گرمای داده شده به آن طبق رابطه - 8 - تعریف میگردد.
