بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثرات رسوب بر عملکرد حرارتی بویلرهای بازیاب نیروگاه سیکل ترکیبی فارس
چکیده
با توجه به نیاز روز افزون بشر به انرژی الکتریکی از یک سو و نیز کاهش منابع انرژی فسیلی در جهان از سوی دیگر، نیاز به استفاده بهینه از منابع انرژی مورد توجه جدی قرار گرفته است. در این راستا یکی از موثرترین سیستمهای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی، نیروگاه های سیکل ترکیبی میباشند. از آنجا که بویلر بازیاب حرارت (H.R.S.G.) نقشی کلیدی در عملکرد کلی نیروگاه های سیکل ترکیبی ایفا میکند، لذا بهینهسازی پارامترهای عملکردی بویلر بازیاب یکی از مهمترین اقدامات در جهت افزایش راندمان حرارتی سیکل ترکیبی میباشد. در این پژوهش با استفاده از نرم-افزار MATLAB به بررسی معادلات پایستگی جرم و انرژی در اجزای مختلف بویلر بازیاب حرارت و نیز اثر رسوبزایی لوله های بویلر در کاهش ضریب کلی انتقال حرارت و کاهش راندمان بویلر بازیاب پرداخته شد و در نهایت، هزینه و میزان انرژی تلف شده در مدت یک سال کارکرد نیروگاه برآورد شده است. نتایج نشان میدهد رفتار و عملکرد حرارتی بویلرهای بازیاب، بستگی شدید به میزان رسوب ایجاد شده ناشی از سیال گرم و سرد بر روی سطوح لوله ها دارد لذا با توجه به داده های نیروگاه، نگهداری و تعمیر منظم میتواند نقشی اساسی در افزایش راندمان بویلرهای بازیاب داشته و آنها را در شرایط کاری مناسبتری قرار دهد.
واژه های کلیدی: بویلر بازیاب حرارت، راندمان حرارتی، رسوب گذاری، سیکل ترکیبی، MATLAB
-1 مقدمه
با بروز بحران انرژی در نیمه دوم ده هی 1970 میلادی ناشی از افزایش قیمت محصولات نفتی کشورهای صادر کننده و نیز با افزایش مصرف انرژی به دلیل رشد جمعیت و توسعهی صنایع، ضرورت صرفهجویی در مصرف انرژی مورد توجه جدی قرار گرفت. از این رو کشورهای صنعتی ضمن صرف هزینه های زیاد و تحقیقات گسترده، مقررات و استانداردهای ویژهای را جهت کاهش مصرف انرژی در بخشهای مختلف تدوین و به کار گرفتند.
امروزه از جمله موثرترین سیستمهای تبدیل انرژی برای تولید الکتریسیته، استفاده از فناوری سیکل ترکیبی میباشد. در چند ده ه اخیر، شمار نیروگاه های سیکل ترکیبی به دلیل راندمان حرارتی بالاتر نسبت به سیکل بخار و یا سیکل گاز، افزایش یافته است. در این میان از جمله مهمترین تجهیزات نیروگاه سیکل ترکیبی که نقشی کلیدی و بسیار مهم بر عملکرد کلی نیروگاه ایفا میکند، بویلر بازیاب حرارت)H.R.S.G.(1 میباشد. بویلر بازیاب حرارت نوعی مبدل حرارتی است که رابط سیکل گازی و سیکل بخار بوده و به عنوان قلب سیکل بخار عمل می-کند و با استفاده از گازهای گرم خروجی از توربین گاز، بخار مورد نیاز سیکل بخار را جهت تولید الکتریسیته فراهم میکند. بنابراین برای مبادله بیشترین مقدار انرژی حرارتی که منجر به افزایش عملکرد کلی سیکل ترکیبی میشود، بویلر بازیاب حرارت میبایست به طور بسیار دقیق محاسبه و طراحی گردد و مورد به رهبرداری و نگهداری قرار گیرد.
فرایند انتقال حرارت، میان گازهای داغ حاصل از احتراق (دود) و جریان آب درون لوله های بویلر بازیاب اتفاق میافتد. در گذر زمان به علت تجمع و نشست ذرات معلق موجود در گازهای داغ و نیز جریان سیال درون لوله، بر روی سطوح داخلی و خارجی لوله های بویلر بازیاب رسوب2 تشکیل میگردد که اثر قابل توجهای بر فرایند انتقال حرارت میگذارد.
رسوب بر روی سطوح انتقال حرارت تا به امروز نیز از جمله جدیترین و مهمترین مشکلات در تجهیزات انتقال حرارت به شمار میرود که در نتیجه آن، کاهش قابل توجه در سرعت جریان سیال، کاهش قابلیت اطمینان تجهیزات، کاهش دوره عمر، کاهش راندمان حرارتی و همچنین افزایش تلفات حرارتی، افزایش هزینه قیمت تمام شده محصولات و افزایش دمای سطح لوله را در پی خواهد داشت. لایه رسوب خاصیت هدایت حرارتی کمی دارد لذا مقاومت در برابر انتقال حرارت را افزایش داده و بازده مبدلهای حرارتی را کاهش میدهد. همچنین در نتیجه ایجاد رسوب داخلی، سطح مقطع لوله کاهش یافته و منجر به افزایش افت فشار درون لوله میشود، بنابراین برنامه-ریزی جهت نگهداری و تعمیرات و نیز شستوشوی منظم بویلرهای بازیاب حرارت، یکی از مهمترین اقدامات در جهت افزایش بهرهوری بویلرهای بازیاب میباشد.
در سالهای اخیر، بهبود عملکرد بویلرهای بازیاب حرارت مورد توجه پژوهشگران زیادی در سراسر دنیا قرار گرفته است و تا کنون چندین گزارش از اثر پدیده رسوبزایی بر لوله های بویلرهای بازیاب، منتشر شده است.
مکبث و همکاران، اثر رسوب به ضخامت 0/1 میلیمتر از جنس مگنتیت متخلخل را بر روی لوله های بویلر بازیاب مورد مطالعه قرار دادند و در مقایسه با لوله تمیز، کاهش 5 تا 10 درصد شار حرارتی را مشاهده کردند.[1] همچنین وی در مطالعهای دیگر اثر رسوبات خام بر افت فشار اصطکاکی در لوله های با سطح مقطع حلقوی را مورد بررسی قرار داد و مشاهده کرد که رسوبات خام اثرات قابل توجهای در افت فشار جریان آب تکفاز دارد.[2] گلیبف و همکاران، به مطالعه اثرات رسوب دی اکسید آهن بر روی ضریب هدایت دیواره های لوله بویلر نیروگاه مرکزی کوناکوو پرداختند. نتایج نشان داد که با افزایش نرخ ضخامت رسوب از 20 تا 80 درصد، ضریب انتقال حرارت هدایت رسوبات از 0/7 به 0/55 کاهش مییابد.[3] میزونو و همکاران، به بررسی رسوب ذرات هماتیت تشکیل شده بر روی فولاد ضد زنگ و تاثیر آن بر غلظت، شار گرما و فشار پرداختند.[4] کیتو، نشان داد که رسوب نازک و یکنواخت ایجاد شده در لوله های بویلر بازیاب با قطر بزرگ، در فشارهای زیر بحرانی اثر کمی در افت فشار اصطکاکی دارد در حالی که در فشارهای فوقبحرانی، رسوب به طرز چشمگیری افزایش افت فشار را ایجاد می-کند.[5] گاناپاسی، اثر رسوب در هر دو طرف لوله بویلر بازیاب را مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان داد که رسوب ایجاد شده سبب کاهش ضریب انتقال حرارت هدایت و در نتیجه کاهش تولید بخار و افزایش دمای گاز خروجی خواهد شد. همچنین درجه حرارت دیوار لوله به طور قابل توجهای افزایش مییابد که منجر به شکست لوله میشود.[6]
از بررسی تحقیقات انجام گرفته چنین بر میآید که علیرغم پژوهشهای علمی فراوان بر روی جنبه های مختلف اثرات رسوب بر عملکرد بویلرهای بازیاب حرارت، در زمینه اثرات رسوب بر کاهش راندمان حرارتی نیروگاه های سیکل ترکیبی، به ندرت مورد توجه و مطالعه قرار گرفته است. هدف از این پژوهش، بررسی اثرات رسوب بر لوله های بویلر بازیاب و نیز اثر آن بر افزایش سوخت مصرفی و کاهش راندمان حرارتی نیروگاه های سیکل ترکیبی میباشد.
-2 تحلیل ترمودینامیکی نیروگاه سیکل ترکیبی
شکل (1) نمای شماتیک نیروگاه سیکل ترکیبی را نشان می-دهد. بر اساس شکل (1)، گازهای داغ خروجی از هر توربین گاز، وارد یک بویلر بازیاب حرارت شده و پس از فرایند انتقال حرارت بین گازهای داغ و آب درون لوله های بویلر بازیاب حرارت، از بویلر خارج گردیده و وارد محیط میشوند. حرارت گرفته شده از گازهای گرم موجب تولید بخار در هارپهای HP و IP میگردد و سپس به سمت توربین بخار هدایت شده و پس از خروج از توربین بخار در چگالنده تقطیر گشته و در نهایت توسط پمپ مجدداً به بویلر بازیاب حرارت برگشت داده می-شود.
-1-2 معرفی نیروگاه سیکل ترکیبی فارس
نیروگاه سیکل ترکیبی فارس، در 19 کیلومتری جنوبشرق شهر شیراز، در نزدیکی بخش اکبرآباد و در مختصات جغرافیایی 52 درجه شرقی و 29 درجه شمالی قرار دارد. این نیروگاه مشتمل بر 6 واحد گازی هر یک با توان 23/4 مگاوات، 3 واحد بخار هر یک با توان 98/2 مگاوات، 6 واحد H.R.S.G. و 3 واحد برج خنک کن هلر بوده و نوع سوخت آن نیز گاز طبیعی و گازوئیل میباشد. ظرفیت اسمی کل این نیروگاه، 1035/3 مگاوات و ظرفیت عملیاتی آن نیز 825/75 مگاوات میباشد.
-2-2 مدلسازی بویلرهای بازیاب حرارت
شکل (2) نمای شماتیک بویلر بازیاب حرارت را نشان میدهد. بر اساس شکل (2)، بویلرهای بازیاب حرارت شامل سه قسمت HP، IP و LP بوده که قسمتهای HP و IP خود نیز شامل سه قسمت اکونومایزر3، اواپراتور4، سوپرهیتر5 میباشد.
با توجه به شکل (2)، با استفاده از قوانین پایستگی جرم و انرژی در بویلرهای بازیاب حرارت، مقادیر آنتالپی، دما، فشار، ضریب انتقال حرارت کلی، بازده و در نهایت هزینه و میزان انرژی حرارتی تلف شده در تمامی قسمتهای بویلر بازیاب حرارت، در مدت یک سال کارکرد نیروگاه برآورد شده است. فرضیات به کار گرفته شده در مدلسازی بویلرهای بازیاب حرارت عبارتند از:
(1 توربین، کمپرسور و پمپ آدیاباتیک عمل میکنند.
(2 هوا و گازهای ناشی از احتراق به صورت گاز ایدهآل در نظر گرفته شده اند.
(3 جریان سیال پایا و تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز فرض شده اند.
(4 به علت وجود اتلافاتی که در محفظه احتراق و ژنراتور وجود دارد، بازده محفظه احتراق و ژنراتور، به ترتیب 0/98 و 0/95 در نظر گرفته شده است.
(5 با توجه به این که قسمت عمده سوخت مصرفی را متان تشکیل میدهد، مقدار ارزش حرارتی پایین سوخت رابرابر با مقدار در نظر گرفته شده است.
شکل (3) نمای شماتیک نیروگاه سیکل ترکیبی فارس را نشان میدهد. بر اساس شکل (3)، مدلسازی و معادلات حاکم بر قسمتهای بویلر بازیاب حرارت از روابط (1) الی (8) بدست میآیند.
برای بدست آوردن میزان دبی جرمی هوای ورودی به کمپرسور و دبی جرمی گازهای حاصل از احتراق ورودی به بویلر بازیاب حرارتی، ابتدا با استفاده از حجم کنترل برای سیکل گازی، معادله پایستگی جرم و انرژی را به صورت معادلات (9) و (10) مینویسیم:
پایستگی جرم:
پایستگی انرژی:
با جایگزینی معادله موازنهی جرم (9) در معادله انرژی (10)، میزان دبی جرمی هوای ورودی به کمپرسور را بدست آورده و سپس با جمع دبی جرمی هوای ورودی با دبی جرمی سوخت ورودی، دبی جرمی ورودی گازهای حاصل از احتراق به بویلر بازیاب حرارت بدست میآید.
-3-2 گرمای مبادله شده در بویلر بازیاب حرارت
موازنه انرژی، در همه سطوح انتقال حرارت میان سیال گرم (گازهای داغ حاصل از احتراق) و سیال سرد (آب درون لوله ها) به صورت روابط (11) و (12)بیان میشود:
در این پژوهش، برای بدست آوردن گرمای مبادله شده بین گازهای داغ حاصل از احتراق و آب درون لوله ها، از روش اختلاف دمای متوسط لگاریتمی LMTDاستفاده شده است، بنابراین انتقال حرارت سطوح از رابطه (13) بدست میآید:
اختلاف دمای متوسط لگاریتمی و ضریب کلی انتقال حرارت به ترتیب از معادلات (14) و (15) بدست می آیند:
در رابطه (22) ضرایب از [7] بدست میآیند.
بر اساس معادله (15)، رابطه میان ضرایب انتقال حرارت کلی و مقاومت گرمایی برای سطوح انتقال حرارت تمیز و کثیف، به ترتیب از روابط (23) و (24) بدست میآیند:
