بخشی از مقاله
خلاصه
تحقیق و بهینهسازی سیکلهای بخار به دلیل قدیمی بودن طراحی برخی نیروگاهها - عدم مطابقت با تکنولوژیهای روز - و سهم بالای آنها در تولید برق ایران، مورد توجه است. آنالیز اگزرژی همراه با قانون اول و دوم ترمودینامیک، این امکان را فراهم میسازد که بهتوان بهروش مطلوبی جهت تحلیل سیستمهای تبدیل انرژی، شناخت سطوح انرژی و همچنین فرآیندهای نامطلوب ترمودینامیکی دستیافت. آنالیز اگزرژی ابزاری مفید برای مشخصکردن تفاوت بین تلفات انرژی و برگشتناپذیریهای داخلی در یک پروسه است.
همچنین این تحلیل روشی مناسب برای سنجش کارکرد اجزای پروسه است. این آنالیز نه تنها میتواند اگزرژی نقاطی را که در آنها تبدیل انرژی صورت میگیرد به دست آورد، بلکه میتواند راندمان اجزای سیکل را محاسبه نماید. در این مقاله، سیکل نیروگاه بخار شهید رجایی قزوین مورد بررسی قرار گرفته است. بازده انرژی و اگزرژی به علامه درصد بازگشتناپذیری هر یک از اجزای این سیکل با استفاده از معادلات بالانس جرم، انرژی و اگزرژی محاسبه شدهاست. نتایج به دست آمده نشان میدهند که بویلر مهمترین عامل نابودی اگزرژی میباشد. اتلاف اگزرژی بویلر 36 درصد از کل اگزرژی ورودی به سیکل است.
.1 مقدمه
در جهان امروز که منابع اصلی انرژی آن از قبیل نفت، گاز طبیعی و ذغال سنگ، منابع تجدید ناپذیر میباشند، اهمیت بهبود و ارتقا سطح کیفی سیستمهایی که از این منابع استفاده میکنند بیش از پیش روشن شده است. برای نیل به این هدف، روشها و تحلیلهای متعددی در جهت بهینهسازی این سیستمها مورد استفاده قرار میگیرند. تحلیل ماشینهای قدرت حرارتی با استفاده از روش تحلیل انرژی و کاربرد قانون اول ترمودینامیک، با کمیت انرژی در ارتباط است و مدعیست که انرژی را نمی تواند ایجادیا از بین برد. این قانون فقط بهعنوان یک ابراز لازم مورد استفاده قرار میگیرد. قانون دوم ترمودینامیک به بررسی موقعیتهای تلفشده برای انجام کار میپردازد و مفهوم اگزرژی که در ارتباط با این قانون وضع شده است، میتواند به عنوان یک ابزار مفید در این زمینه بکار رود.
اگزرژی بهعنوان پتانسیل انجام کار یا پتانسیل کاردهییک منبع انرژی شناخته میشود. روشهای تحلیل اگزرژی بهعنوان یک ابزار قدرتمند در جهت تحلیل سیستمهای انرژی و ماشینهای تولید قدرت امروزه اقبال زیادی را به خود جلب کردهاند. در این روش میزان کاردهی منابع مختلف انرژی و عوامل کاهش این کاردهی بطور دقیق و کامل مورد بررسی قرار میگیرد. تحلیل اگزرژی روشی مناسب برای سنجش کارکرد اجزای پروسه است . با این روش میتوان اگزرژی نقاطی را که در آنها تبدیل انرژی صورت میگیرد، به دستآورد. راندمان اجزای سیکل را محاسبه نمود. همچنین میتوان محل وقوع بیشترین تلفات را شناسایی و برای کاهش آنها تلاش کرد.
در تحقیقی روی سیکل ترکیبی که بازدهای بیشتر از بازده نیروگاههای بخار دارد، فرانسو و روسو روشی را برای افزایش راندمان نیروگاه سیکل ترکیبی با استفاده از تحلیل اگزرژی بر پایه بهینهسازی بویلر بازیاب به کار بردند.[1] تاکید عمده در این روش روی بهینهسازیبویلر بازیاب بوده است. در روش بهکاربردهشده با استفاده از تعریفیک تابع برای بویلر بازیاب به بهینهسازی فنی و اقتصادی آن پرداختهشده و توانسته راندمان کل سیکل را نزدیک به 60 درصد برساند.
سیوبا و همکاران با بررسی دو نوع سیکل ساده و پیچیده نیروگاههای بخار بر پایه تحلیل اگزرژی، تاثیر پارامترهای ترمودینامیکی سیکل اعم از فشار و دمای بخار اصلی و بخار باز گرمایش شده و فشار بخارهای زیرکش شده از توربینها و همچنین تعداد گرمکنها در سیکل را با در نظر گرفتن محدودیتهای اقتصادی و تکنولوژی بررسی کرده و مقادیر بهینهای را برای این پارامترها بدستآوردند.
ال دیب و همکاران نیز تحلیل اگزرژی را برای نیروگاههای بخار و نیروگاههای تولید همزمان بکار بردند.[3] در این تحلیل افت کارایی این نیروگاهها در اثر بازگشتناپذیریهای فرآیندهای انتقال حرارت و احتراق در بویلر و همچنینپارامترهای موثر در کاهش نابودی اگزرژی در بویلر از جمله میزان هوای اضافی، پیش گرم کردن هوای ورودی و گازهای برگشتی به بویلر بررسی شدهاند.
در این مقاله، به تحلیل انرژی و اگزرژی سیکل نیروگاه بخار شهید رجایی قزوین پرداختهشدهاست و با استفاده از معادلات بالانس جرم، انرژی و اگزرژی برای هر یک از اجزای سیکل، بازده اگزرژی و درصد برگشتناپذیری محاسبه شدهاست. شماتیک سیکل بخار نیروگاه شهید رجایی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 سیکل نیروگاه بخار شهید رجایی
.2 تحلیل قانون اول ترمودینامیک برای اجزای سیکل
روند کلی سیکل نیروگاه بخار شهید رجایی به این صورت است که در این نیروگاه بخار خروجی از بویلر وارد توربین فشار بالا شده و سپس بخار خروجی از این توربین وارد بویلر میشود. سپس عملیات بازیابی انجام شده و بعد از آن بخار گرم شده وارد توربین فشار متوسط میشود. بخار بهطور مستقیم وارد توربین فشار ضعیف میشود و در نهایت وارد کندانسور میشود. این بخار پس از عبور از سه گرمکن آب تغذیه فشار پایین که حرارت مورد نیاز خود را از توربین فشار ضعیف میگیرند، وارد دیاریتور شده و سپس وارد پمپ میگردد. پس از افزایش فشار و عبور از پمپ سیال وارد دو هیتر آب تغذیه فشار قوی میشود. در نهایت وارد بویلر میشود و سیکل کامل میشود. در این سیکل کارایی با افزایش فشار بویلر افزایش مییابد. افزایش فشار بویلر سبب افزایش رطوبت در نقطهی فشار پایین توربین میشود.
سیکل گرمایش مجدد بهگونهای طراحی شدهاست که ضمن افزایش کارایی سیکل، رطوبت بخار آب در خروج از توربین بیش از حد مجاز نباشد. افزایش کارایی در اثر گرمایش مجدد بسیار کم است ولی دلیل استفاده از باز گرمایش کاهش رطوبت در توربین فشار ضعیف میباشد. اگر آلیاژی وجود داشته باشد که بتواند بخار فوق گرم را در نقطه ورودی به توربین فشار بالا تحمل کند، کارایی سیکل ساده و بدون باز گرمایش به مراتب بیشتر خواهد بود.
.2-1 بویلر با سیکل گرمایش مجدد
آب در این قسمت به بخار تبدیل شده و از یک مسیر اصلی که بخار اصلی در آن است به توربین فشار قوی منتقل میشود. گرمای لازم برای تبدیل آب به بخار و دمای لازم برای چرخاندن توربینها از سوختن سوخت در شمعهایی که در بویلر وجود دارد، ایجاد میشود. در هر بویلر حدود بیست عدد مشعل وجود دارد و سوخت مورد نیاز آنها مازوت و گاز طبیعی است که از مازوت بیشتر در فصول سرد سال بخاطر افت فشار گاز و از گاز طبیعی بیشتر در فصول گرم استفاده می شود و این سوخت با درصدی از هوا مخلوطشده وارد مشعل میشود و پس از سوختن، دمای لازم را به بخار جهت چرخاندن توربین میدهد.
بخار بعد از انتقال به توربین فشار قوی آنرا به حرکت در میآورد و بعد از خروج از توربین فشار قوی و کاهش فشار و دما دوباره به بویلر برمیگردد تا باز گرماش شود و دوباره از یک مسیر به توربین فشار متوسط وارد می شود. بعد از چرخاندن توربین از آن خارج شده و مستقیما به توربین فشار ضعیف وارد میشود. بعد از به گردش در آوردن آن به داخل کندانسور وارد میشود و این سیکل آب و بخار ادامه پیدا میکند.
.2-2 توربین
توربین یکی از مهمترین قسمتهای یک نیروگاه بخار است. نیروگاه از نوع ترکیب متوالی توربینهای فشار قوی، فشار متوسط و فشار ضعیف میباشد. در یک واحد بخاری، بخار سوپرهیت از بویلر وارد توربین فشار قوی میشود و سپس بخار از خروجیهای متعدد به مصارف گوناگونی میرسد که از جمله مهمترین آنها فرآیند گرمکنندگی در هیترها است. این فرآیند توسط همین بخارهای استخراجی انجام میگیرد و همچنین در اولین طبقه از توربین فشار قوی بخار خروجی به علت داشتن فشار و دمای بالا و داشتن قابلیت احیاء مجدد جهت بازگرمایش به بویلر برده میشود.
