بخشی از مقاله
چکیده :
بهره برداري از سیستم هاي تولید همزمان برق و گرما،یک مسئله بهینه سازي پیچیده است که نیازمند روشهاي حل پیشرفته می باشد.در این مقاله ابتدا عملکرد سیستم تولید همزمان با محرك اولیه توربین گاز تحت بار هاي مختلف و نیز تحت دماهاي مختلف محیط مدل سازي شده سپس مسئله توزیع اقتصادي بار و فرمول بندي ریاضی آن براي این سیستم ارائه گردیده است.در نهایت با کد نویسی در نرم افزار MATLAB و به کار گیري جعبه ابزار بهینه سازي در این نرم افزار،عملکرد یک سیستم تولید همزمان با محرك توربین گاز، براي یک شبانه روز به صورت نمونه بهینه سازي گردیده است.
ضمنا فرض شده که امکان خرید و فروش برق وجود دارد.جواب هاي بدست آمده براي این مورد مطالعاتی نشان می دهد که اگر قیمت گازطبیعی با نرخ دولتی در نظر گرفته شود،حالت بهینه عملکردي سیستم به سمت بار کامل میل می کند،در صورتی که با درنظرگرفتن نرخ آزاد براي گاز طبیعی،سیستم تمایل دارد که منحنی بار حرارتی را تعقیب کند.در این شرایط هزینه هاي سیستم،%15/9 کمتر از حالت بار کامل و 17/5%کمتر از حالت مجزا می باشد.ضمنا آنالیز حساسیت جواب ها نشان می دهد که هزینه هاي سیستم به شدت با افزایش قیمت سوخت و کاهش قیمت برق در بازار،افزایش خواهد یافت.
-1 مقدمه
تبدیل سوخت هاي فسیلی نظیر زغالسنگ و گاز به برق یک فرآیند نسبتا کم راندمان است. حتی پیشرفته ترین نیروگاه هاي سیکل ترکیبی راندمانی بین 50 تا 60 درصد دارند. بخش عمده انرژي که در فرآیند تبدیل تلف می شود به صورت گرما به محیط داده می شود. در واقع فلسفه بهره گیري از سیستم هاي تولید همزمان برق و گرما ، بازیافت و استفاده سودمند از این گرماست که به شکل قابل ملاحظه اي راندمان کلی فرآیند تبدیل را ارتقا می بخشد به طوري که دستیابی به راندمان تبدیل سوختی برابر 90% در این سیستم ها امکانپذیر است.[1]
توزیع اقتصادي بارهاي الکتریکی و حرارتی در سیستمهاي تولید همزمان با محرك اولیه توربین گاز توزیع اقتصادي بار1 عبارت است از تعیین میزان گرما و برق تولیدي در یک یا چند واحد تولید همزمان که به ازاي آن هزینه تولید سیستم حداقل شود و تقاضاي برق و گرما در هر لحظه اجابت گردد، ضمنا قیود تکنیکی سیستم نیز تحت هر شرایطی رعایت شوند. در طول دهه اخیر ، مقالات متعددي به مسئله توزیع اقتصادي بار هاي الکتریکی و حرارتی در سیستم هاي تولید همزمان پرداخته اند.
برخی از مقالات [2-7] بیشتر روي مدل سازي و فرمول بندي ریاضی عملکرد سیستم کار کرده اند و الگوهایی را براي بهره برداري بهینه از سیستم هاي تولید همزمان با تکنولوژي هاي مختلف ارائه داده اند.پاره اي از مقالات نیز صرفا روي روش ها و تکنیک هاي حل مسئله متمرکز شده و الگوریتم هاي ابتکاري و نوینی نظیر الگوریتم دو لایه اي لاگرانژ [8]، الگوریتم ژنیتیک [9]، الگوریتم جستجوي هارمونی[1] 2، الگوریتم کلونی مورچگان[10] 3 و الگوریتم [11] PSO4 را براي حل مسئله توزیع اقتصادي بار هاي الکتریکی و حرارتی در سیستم هاي تولید همزمان معرفی کرده اند. در این مقاله ، توربین گاز به عنوان محرك اولیه سیستم تولید همزمان انتخاب شده است .علل این انتخاب عبارتند از:
1. در حال حاضردانش و فناوري ساخت توربین گاز در کشور وجود دارد.
2. بسیاري از نیروگاه هاي توربین گاز در کشور در سیکل باز کار می کنند و قابلیت تبدیل به سیکل تولید همزمان را دارند.
3. توربین گاز در مقایسه با سایر تکنولوژي هاي تولید همزمان مزایاي فراوانی دارد که عبارتند از: قابلیت اطمینان بالا، انتشار آلاینده کم ، سر و صداي نسبتا کم،چگالی توان بالا، نسبت گرما به برق بالا ، حرارت خروجی زیاد ، عدم نیاز به خنک کننده ، استارت سریع و آسان ، استفاده از سوخت هاي متنوع ، قابلیت کار در حالت بار جزیی ، داراي سایز هاي مختلف و هزینه نصب توجیه پذیر
4. مقالات و تحقیقات کمتري در رابطه با توربین گاز منتشر شده است.
بهره برداري بهینه از سیستم هاي تولید همزمان برق و گرما یک مسئله بهینه سازي پیچیده است که نیازمند روشهاي حل پیشرفته و قوي می باشد . علت این موضوع وابستگی درونی برق و گرماي تولیدي در این سیستم هاست.[1]بدین معنی که ظرفیت تولید برق و ظرفیت تولید گرما تابعی از یکدیگر می باشند. به عبارت دیگر هر واحد تولید همزمان داراي یک ناحیه کاري5 است که مشخص کننده نقاطی است که آن واحد صرفا در آن نقاط کار می کند.
شکل 1 ناحیه کاري سیستمی با محرك توربین گاز را نشان می دهد1]و2و.[4 ناحیه A در شکل 1، ناحیه کاري توربین گاز و HRSG6 می باشد.خطوط 1و 2 حداکثر توان الکتریکی تولیدي ژنراتور را به ترتیب در گرمترین و سردترین ساعت سال نشان می دهند .خط 3 مربوط به حداقل توان الکتریکی تولیدي توسط ژنراتور می باشد. خط 4 نیز حداکثر دبی گاز عبوري از HRSG را نشان می دهد به عبارتی روي این خط حداکثر گرما توسط HRSG بازیافت می گردد . هنگامی که در HRSG از مشعل کمکی استفاده شود ناحیه B و خط 5 نیز توزیع اقتصادي بارهاي الکتریکی و حرارتی در سیستمهاي تولید همزمان با محرك اولیه توربین گاز می تواند به ناحیه A افزوده شود.
[4] سایر سیستم هاي تولید همزمان نظیر توربین بخار با زیر کش و یا موتور احتراق داخلی و ... نیز داراي فضاهاي کاري مخصوص به خود هستند. در این مقاله ابتدا یک سیستم تولید همزمان با محرك اولیه توربین گاز مدل سازي شده سپس مسئله توزیع اقتصادي بار و فرمول بندي ریاضی بهره برداري بهینه آن ارائه گردیده است. در نهایت با کد نویسی در نرم افزار MATLAB و به کار گیري جعبه ابزار بهینه سازي در این نرم افزار عملکرد یک سیستم با ظرفیت تولید توان الکتریکی برابر با 5/2 مگاوات، براي یک شبانه روز به صورت نمونه بهینه سازي گردیده است. این در شرایطی است که تغییرات راندمان توربین گاز به خاطر تغییرات دماي محیط و کارکرد تحت بار هاي جزیی1 نیز در محاسبات لحاظ شده است.
ضمنا فرض شده که این سیستم در محیط بازار برق کار می کند یعنی امکان خرید و فروش برق را دارد.به کارگیري الگوي پیشنهادي براي مورد مطالعاتی، نشان می دهد که اگر قیمت گازطبیعی با نرخ دولتی در نظر گرفته شود،حالت بهینه عملکردي سیستم به سمت بار کامل میل می کند،در صورتی که با درنظرگرفتن نرخ آزاد براي گاز طبیعی،رفتار بهینه سیستم کاملا تغییر کرده و تمایل دارد که منحنی بار حرارتی را تعقیب کند.در این شرایط هزینه هاي سیستم،%15/9 کمتر از حالت بار کامل و 17/5% کمتر از حالت مجزا2 می با شد.ضمنا آنالیز حساسیت جواب ها نشان می دهد که هزینه هاي سیستم به شدت با افزایش قیمت سوخت و کاهش قیمت برق در بازار،افزایش خواهد یافت.
-2مدل سازي ریاضی مسئله توزیع اقتصادي بار در
سیستم تولید همزمان با محرك توربین گاز شکل 2 پیکر بندي مدلی را نشان می دهد که مسئله توزیع اقتصادي بار به بیان ریاضی براي آن تعریف می گردد.در این پیکربندي حرارت گازهاي خروجی توربین گاز در HRSG بازیافت می شود، به علاوه امکان تولید حرارت توسط بویلر کمکی و خرید و فروش برق نیز وجود دارد.
