بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله، طراحی سیستم تولید همزمان حرارت و توان در یک سایت جامع از دیدگاه اگزرژی است. در ابتدا با استفاده از مدل تکرار شونده پایین به بالا با بازده ایزنتروپیک متغیر که یک روش هدفگذاری اصلاحی جدید تولید همزمان می باشد ، پتانسیل تولیدهمزمان حرارت و توان برای طراحی سیستم یوتیلیتی سایت جامع برآورد می شود. سپس، متغیرهای سامانه که شامل، دماهای سطوح بخار، توان تولیدی ، دبی های سوخت ، بخار و بار حرارتی بویلر محاسبه میگردد .
در مرحله بعد، به تحلیل اگزرژی یک مورد مطالعاتی پایه، متشکل از چندین سناریو از چیدمان توربینهای بخار فشار برگشتی با بار حرارتی و توان تولیدی ثابت چهل و هشت مگاوات میپردازیم. سپس، چیدمان مناسب از بین چیدمان توربینهای بخار بین سطوح بخار تعیین شده و در صورت تامین نشدن توان مورد نیاز در سایت جامع توسط توربینهای بخار استفاده از توربین گاز یا توربین کندانس به میزان پنجاه مگاوات توان تولیدی بررسی میگردد . در نهایت، از مجموع توربینهای بخار فشار برگشتی و توربین بخار کندانسی یا توربین گازی، چیدمانی که کمترین اتلافات و تخریب اگزرژی و نیز بیشترین بازده اگزرژتیک را داشته باشد، به عنوان چیدمان بهینه سامانه تولید همزمان حرارت و توان در سایت جامع انتخاب خواهد شد.
-1 مقدمه
درچند دهه گذشته، با افزایش قیمت انرژی و آسیب های زیست محیطی و نیز محدویت در منابع فسیلی انرژی، استفاده از سیستم های تولید و تبدیل انرژی با راندمان بیشینه جهت صرفه جویی در این منابع ارزشمند، اهمیت بیشتری یافته است. از اینرو، امروزه مطالعه برروی سیستم هایی که بطورهمزمان برق و حرارت مورد نیاز را برای مصرف کنندگان تامین می کنند، مورد توجه قرار گرفته است. تولید همزمان حرارت و توان، یک روش صرفه جویی انرژی است که در آن حرارت و توان به طور همزمان تولید می شوند. حرارت حاصل از تولید همزمان می تواند به منظور گرمایش ناحیه ای یا در صنایع فرآیندی مورد استفاده قرار گیرد.
در روش های معمول برای تامین نیاز های الکتریکی و حرارتی، الکتریسیته از شبکه توزیع سراسری و حرارت به وسیله سوزاندن سوخت در بویلر ها و تجهیزات گرما زا به روش تولید جداگانه تامین می گردد. در این روش انرژی قابل توجهی به گونه ای متفاوت از طریق گازهای داغ خروجی دودکش، برج های خنک کن، کندانسورها، خنک کننده ها در موتور ها و همچنین تلفات توزیع و انتقال الکتریسیته در شبکه سراسری به هدر می رود که بیشتر این حرارت قابل بازیافت است و می تواند در تأمین انرژی حرارتی مورد استفاده قرار گیرد. در روش تولید همزمان حرارت و توان، انرژی گرمایی از بازیافت تلفات حرارتی نیز به دست می آید و این حرارت در بخش های مختلف صنعتی، تجاری و مسکونی به کار گرفته می شود. از طرفی الکتریسیته تولیدی توسط این روش به صورت محلی و مستقل و غیرمتمرکز می باشد.
تحلیل اگزرژتیکی روشی مرکب از تبدیل انرژی و قانون دوم ترمودینامیک می باشد ، ناکارآمدی های ترمودینامیکی یک سیستم را برجسته می نماید. اگزرژی، به عنوان ماکزیمم مقدار کاری که میتواند توسط یک سامانه یا یک جریان جرم وقتی که وارد تعادل با دما و فشار و ترکیب شیمیایی با یک محیط مرجع می شود، تعریف می گردد 6]و.[9 هر سیستم بدون تعادل با محیط، دارای مقداری اگزرژی است. وقتی یک سیستم در تعادل با محیطش قرار دارد، مطابق تعریف، مقدار اگزرژی برابر صفراست، چرا که دارای هیچ توانایی برای انجام کار نسبت به محیطش نیست. سایت جامع، نیازهای واحد فرآیندی از قبیل الکتریسیته، نیرو برای حرکت در آوردن واحد های فرآیند، بخار در سطوح مختلف فشار و غیره را فراهم می کند.[18] در نتیجه طراحی سایت جامع بسیاری از مشکلات اعم از هزینه های انتقال انرژی به واحد های دیگر، اتلافات، و غیره نیز به نحو چشم گیری از بین می رود.
امروزه با مشاهده نواقص تولید و انتقال توان و حرارت، نیاز به طراحی سیستم های یکپارچه و متمرکزی که در آن نیروگاه ها و صنایع مصرف کننده در یک سایت در کنار هم قرار گیرند مورد توجه بسیاری از کشورهاست، چون اکثر فرآیند های صنعتی به نوعی یک مجموعه ی کلی هستند که توسط یک مجموعه خدمات جانبی مرکزی به یکدیگر متصل شده اند.[16] توربین ها با راندمان اگزرژی بالا، اگزرژی ورودی را به انرژی برق تبدیل می کنند.[1] استفاده از توربین های میعانی و غیر میعانی در نیروگاه های تولید همزمان که درآنها بهره وری انرژی، با تولید همزمان توان و گرما بهبود یافته است از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. چنانکه محاسبات دقیق در طراحی و قرارگیری توربین ها در سایت ، نتیجه ای برابر با صرفه جویی در تقاضای سوخت مصرفی نیروگاه ها را در برخواهد داشت.
در طراحی های سایت جامع تولید همزمان حرارت و توان، نحوه ی چینش توربین ها در فرآیند تولید حرارت و توان، اهمیت ویژه ای دارد، چرا که به علت هزینه های بالای راه اندازی توربین ها و سوخت مصرفی که بخار مورد نیاز توربین ها را تولید می کند، نحوه طراحی و چینش این تجهیزات می تواند باعث صرفه جویی یا در مقابل آن باعث ایجاد هزینه های اضافی غیر قابل توجیه گردد. در این مقاله ، این چینش ها از دیدگاه اگزرژتیکی در سایت جامع مورد توجه قرار می گیرند.
با توجه به داده های طراحی یک سیستم تولید همزمان در سایت جامع - بار حرارتی سطوح بخار، فشار سطوح بخار، میزان بخار مورد نیاز هر سطح بخار و... - ابتدا پتانسیل توان در سایت جامع محاسبه خواهد شد و با توجه به توان تولیدی محاسبه شده و همچنین میزان بخاردر هر سطح بخار که نشانگر پتانسیل تولید همزمان می باشند، مناسب ترین چیدمان توربین های بخار فشار برگشتی، توربین های میعانی و توربین های گازی از نقطه نظر کمترین تلفات اگزرژتیکی و بیشترین بازده اگزرژتیکی پیشنهاد خواهند شد.
رُزن» و همکاران، [17] «2004 ، تأثیر خواص حالت مرده مختلف بر مبنای تحلیل انرژی و اگزرژی سیستم های حرارتی را مطالعه و بررسی کردند. در این تحقیق نشان داده شد که علی رغم وابستگی مقادیر اگزرژی و انرژی به خواص شدتی حالت مرده، نتایج اصلی تحلیل های اگزرژی و انرژی معمولاً حساسیت قابل توجهی به تغییرات معمول در این خواص ندارند. »بالی و همکاران،[7] «2007 ، عملکرد اگزرژتیک یک سیستمCHP به همراه اجزای آن - توربین های بخار در فشارهای متفاوت و لوله ها ، شیرهای فشار شکن و نیز سامانه توربین گازی و HRSG و ژنراتور برق - در ترکیه را ارزیابی نمودند.
در محاسبات اولیه بازدهی اگزرژی کل سامانه محاسبه شده و محفظه احتراق توربین گازی به عنوان نقطه پر مصرف اگزرژی تعیین گردید. سپس، برای بهینهسازی سامانه - - MCHP ، با حذف شیرهای فشار شکن و جایگزینی آنها با توربین بخار فشار متوسط بازدهی اگزرژی با افزایش به چهل درصد به مقدار سه مگاوات تولید توان الکتریکی را افزایش داد. همچنین با محاسبات اقتصادی، بیشترین هزینه سرمایه ای اجزای سامانه به محفظه احتراق توربین گازی اختصاص یافت.
احمدی،دینسر» و رُزن ،[3] «2011، تحلیل اگزرژی و اگزرژی -اکونومیکی و محیط زیستی و بهینه سازی چند منظوره نیروگاه های سیکل ترکیبی را با الگوریتم تکاملی بررسی کردند. در این مقاله سه تابع هدف متشکل از، مینیمم نرخ قیمت کل، صدور مینیمم دی اکسید کربن و بازده ماکزیمم اگزرژی برای بهینه سازی سیستم بررسی شد. نتایج بهینه سازی نشان داد با انتخاب بهترین تجهیزات و با استفاده از کمترین نرخ سوخت به محفظه احتراق می توان کمترین صدور آلاینده های محیط زیستی را به دست آورد.
»عامری و عنادی ،[4] «2012، تحلیل اگزرژی و اگزرکواکونومیکی یک نیروگاه توربین گازی به همراه مدلسازی ترمودینامیکی و تحلیل عملکرد سیستم را انجام دادند. نتایج حاصل از تحلیل اگزرژی نشان داد که محفظه احتراق مهمترین عامل تخریب کننده اگزرژی در نیروگاه است که این امر به علت واکنش شیمیایی و اختلاف دمای بالا بین سیال در حال کار و سوزاننده ها بود. همچنین نتایج نشان می داد که افزایش دمای ورودی توربین گازی باعث افزایش بازدهی اگزرژی توربین گازی می شود. این افزایش بازدهی به علت افزایش توان خروجی توربین و کاهش اتلافات محفظه احتراق می باشد.
»غائبی و همکاران، [10] «2012 ، تحلیل های انرژی و اگزرژی سیستم تولید همزمان موتور احتراق داخلی را بررسی نمودند. در این مقاله ، تحلیل های انرژی ، اگزرژی و ترمواکونومیک یک سامانه ترکیبی سرمایش، گرمایش و توانCCHPارائه شد. با اعمال قانون اول و دوم ترمودینامیک و تحلیل اقتصادی به طور همزمان ، ابزاری قوی برای تحلیل سامانه های انرژی همچون سامانه هایCCHP شد . » نیکیل و همکاران،[15] «2013 ، تحلیل اگزرژی و شبیه سازی یک سیکل تولید همزمان 30 مگاواتی را ارائه نمودند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد غلظت محصولات احتراق تاثیر زیادی بر گرمای ویژه گازهای خروجی دارد چرا که آنتالپی محصولات احتراق کمتر از هوای فشرده حتی بعد از اضافه شدن سوخت به آن دارد.
»نوید و همکاران، [14] «2014 ، طراحی بهینه سیستم تولید همزمان بر مبنای تحلیل های اگزرژی- محیط زیستی را بررسی کردند. در این تحقیق، روشی جدید برای تحلیل سیستم های انرژی در صنایع فرایندی توسعه داده شد. مفهوم R-Curve جدید توسعه یافته در این تحقیق، بازدهی بهینه، هزینه ها، انتشار آلاینده ها، ضربات زیست محیطی ، پارامترهای اگزرژوکونومیکی و اگزرژومحیطزیستی سامانه یوتیلیتی یک سایت جامع را نشان می دهد.
