بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک نیروگاه ساده تولید همزمان برق و حرارت1 از دید انرژی و اگزرژی مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر پارامترهایی همچون دمای بخار ورودی به توربین، فشار بویلر و راندمان آیزنتروپیکی توربین بخار بر نسبت قدرت به حرارت - - و میزان بازگشت ناپذیری کل سیکل - I - مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین میزان بازگشت ناپذیری تک تک اجزاء سیکل محاسبه شد که معلوم گردید حدود %75 بازگشت ناپذیری کل سیکل در بویلر روی می دهد. به منظور اعتبار بخشی به شبیه سازی، بخشی از نتایج حاصل با نتایج موجود در ادبیات فن مقایسه شده که این مقایسه صحت شبیه سازی را نشان می دهد.
مقدمه
سیستم تولید همزمان به یک شرکت، کارخانه، هتل، بیمارستان و یا یک مرکز تجاری اجازه می دهد که نیازهای الکتریسیته و گرمایش را از یک منبع انرژی واحد مثل نفت،گاز و یا ذغال سنگ و ... تامین کند. استفاده از روش تولید همزمان یکی از مناسب ترین روش های صرفه جویی در مصرف انرژی می باشد. در این روش، از حرارت حاصل از تولید همزمان در گرمایش منطقه ای2 استفاده می کنند.
از خصوصیات گرمایش منطقه ای می توان به ارتقاء کارایی انرژی، تامین حرارت مطمئن، کاهش آلودگی محیط زیست و هزینه های کمتر تولید و نگهداری اشاره کرد. بارزترین مزیت تولید همزمان راندمان حرارتی بالای آن است. در یک نیروگاه تولید همزمان بیش از %90 انرژی سوخت به انرژی های مفید - قدرت و حرارت - تبدیل می گردد. به این دلیل حدود %25 سوخت کمتری در مقایسه با نیروگاه هایی که حرارت و برق به شکل جداگانه تولید می گردند نیاز است
عملکرد حرارتی نیروگاه ها به طور معمول یا با انرژی - قانون اول - و یا با اگزرژی - قانون دوم - تجزیه و تحلیل می شود. تحقیقات بسیاری با استفاده از تحلیل قانون اول ترمودینامیک به محاسبه بازده نیروگاه ها انجام پذیرفته، در حالیکه در سالهای اخیر تحقیقات بر پایه تحلیل قانون دوم ترمودینامیک بر اساس محاسبه اگزرژی و مقادیر بازگشت ناپذیری اجزای نیروگاه به منظور کاهش اتلافات انرژی مورد توجه ویژه ای قرار گرفته است.
شکل1 شماتیکی از تولید همزمان برق و حرارت برای یک شبکه داخلی را نشان می دهد. چنانچه ملاحظه می شود نیروگاه CHP علاوه بر تامین برق منطقه، آب گرم مورد نیاز جهت گرمایش منطقه ای را نیز فراهم می کند. هدف این مقاله انجام تجزیه و تحلیل قانون اول و دوم برای نیروگاه CHP با سوخت زغال سنگ بر مبنای سیکل رانکین-کلازیوس می باشد.
شکل :1 شماتیکی از تولید همزمان برق و گرما برای یک شبکه داخلی
بیان مسئله
در سیستم تولید همزمانی که در شکل 2 نشان داده شده است، گازهای اگزوز گرمای خود را به بویلر بازیافت حرارت داده و آب درون بویلر در حالت مافوق گرم وارد توربین می شود. این سیکل شامل یک گرمکن باز یا دی اریتور و یک گرمکن بسته از نوع چگالیده پس رونده است و در سه سطح فشار کار می کند. از قسمت کم فشار توربین برای گرمایش منطقه ای استفاده شده و از قسمت فشار میانی توربین برای مخزن تغذیه آب - گرمکن باز - و از قسمت فشار بالای توربین در پیش گرمکن یا گرمکن بسته استفاده گردیده است.
با استفاده از روابط ترمودینامیکی مربوط به تک تک اجزا سیکل می توان به پارامترهای مد نظر از قبیل نسبت قدرت به حرارت - - و بازگشت ناپذیری های تک تک اجزا و کل نیروگاه تولید همزمان را محاسبه کرد.
شکل :2 شماتیکی از سیستم تولید همزمان مورد مطالعه
در سیستم های تولید همزمان که بر اساس سیکل رانکین- کلازیوس کار می کنند، بازده کل سیستم مطابق رابطه زیر بیان می شود:
که Pel توان الکتریکی خروجی ، Q حرارت مفید خروجی - به طور مثال حرارت لازم برای گرمایش منطقه ای - و ارزش حرارتی سوخت می باشد. پارامتر مهمی به نام نسبت قدرت به حرارت - - در عملکرد سیستم های تولید همزمان بصورت زیر تعریف می شود :
مطابق شکل 2 از نماد A برای جریان گاز داغ ورودی به بویلر و از نماد B برای جریان آب درون مبدل حرارتی جهت گرمایش استفاده می کنیم.
در نهایت میزان بازگشت ناپذیری - - I طبق رابطه I=T0 بدست می آید که T0 دمای محیط می باشد.
نتایج
با وارد کردن شرایط اولیه که شامل شرایط محیط، دماهای ورودی و خروجی و دبی گازهای داغ بویلر، دما و دبی آب ورودی به مبدل حرارتی جهت گرمایش، راندمان آیزنتروپیکی توربین و بویلر و فشارهای پایین، متوسط و بالای سیکل رانکین می باشد میتوان مقادیر آنتالپی، آنتروپی، دما و دبی جریان را در تمام نقاط سیکل محاسبه کرد. این مقادیر در جدول1 برای کلیه نقاط سیکل آورده شده است.
در نیروگاه تولید همزمان مورد مطالعه با شرایط ورودی نمونه در جدول1، مقدار ارزش حرارتی سوخت مصرفی برابر 58654 kW، توان الکتریکی خروجی Pel=16804 kW و kW Q 37744 است. با جایگذاری این اعداد در رابطه - 1 - مقدار راندمان حرارتی نیروگاه تولید همزمان برابر %93 می باشد که اگر از حرارت خروجی استفاده نگردد بازده نیروگاه تنها %31 خواهد بود.
جدول :1 اطلاعات بدست آمده از شبیه سازی سیکل
شکل3 تاثیر تغییرات دمای بخار ورودی به توربین - T2 - را بر نسبت قدرت به حرارت - - نشان می دهد. با افزایش دمای بخار فوق گرم ورودی به توربین، نسبت قدرت به حرارت افزایش می یابد. در واقع با ثابت ماندن دمای کندانسور و فشار بویلر، افزایش دمای بخار داغ ورودی به توربین، باعث افزایش کار تولیدی توسط توربین بخار میگردد و در نتیجه با توجه به ثابت ماندن مقدار حرارت دریافتی توسط مبدل حررتی، شاهد افزایش نسبت قدرت به حرارت با شیب افزایشی هستیم.
شکل4 تاثیر تغییرات دمای بخار ورودی به توربین بر میزان بازگشت ناپذیری کل سیکل - I - را نشان می دهد. ملاحظه می شود که با افزایش T2 مقدار بازگشت ناپذیری کل به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد و در واقع حرارت بیشتری از گازهای داغ درون بویلر جذب شده است.
تاثیر تغییرات فشار بخار بویلر بر میزان بازگشت ناپذیری کل سیکل - I - در شکل6 نشان داده شده است. ملاحظه می شود که با افزایش فشار بویلر مقدار بازگشت ناپذیری کل کاهش می یابد.
شکل: 3 تاثیر تغییرات دمای بخار ورودی به توربین بر نسبت قدرت به حرارت
شکل: 4 تاثیر تغییرات دمای بخار ورودی به توربین بر بازگشت ناپذیری کل
شکل5 تاثیر تغییرات فشار بویلر - P2 - را بر نسبت قدرت به حرارت - - نشان می دهد. چنانچه ملاحظه می گردد با ثابت ماندن دمای کندانسور و دمای بویلر، با افزایش فشار بخار فوق گرم ورودی به توربین، نسبت قدرت به حرارت افزایش می یابد. افزایش فشار بخار داغ ورودی به توربین با توجه به ثابت ماندن مقدار حرارت دریافتی توسط مبدل حررتی، باعث افزایش تولید کار در توریبن میگردد که منجر به افزایش نسبت قدرت به حرارت با شیب کاهشی می گردد.
شکل: 5 تاثیر تغییرات فشار بخار بویلر بر نسبت قدرت به حرارت
شکل: 6 تاثیر تغییرات فشار بخار بویلر بر بازگشت ناپذیری کل
معمولا راندمان آیزنتروپیکی توربین ها در بازه 75 < T < 90% قراردارد. لذا تغییرات بازده آیزنتروپیکی توربین می تواند بر نسبت قدرت به حرارت و بازگشت ناپذیری کل سیستم تاثیر گذارد. شکل7 تاثیر تغییرات بازده آیزنتروپیکی توربین را بر نسبت قدرت به حرارت - - نشان می دهد. چنانچه ملاحظه می گردد افزایش T از %75 تا %90، باعث افزایش نسبت قدرت به حرارت از حدود 0,37 تا 0,47 می شود که افزایش قابل توجه نسبت قدرت به حرارت را شاهد هستیم.
می دانیم که افزایش راندمان آیزنتروپیکی توربین به معنای بازگشت ناپذیری کمتر در توربین و سیکل خواهد شد. شکل8 نشان می دهد که با افزایش راندمان آیزنتروپیکی توربین، مقدار بازگشت ناپذیری کل سیکل کاهش می یابد.
شکل: 7 تاثیر تغییرات بازده آیزنتروپیکی توربین بر نسبت قدرت به حرارت
