توليد و نيروگاه : انواع سيكلهاي تركيبي پيشرفته باتوربينهاي گازي جديد
توليد و نيروگاه : انواع سيكلهاي تركيبي پيشرفته باتوربينهاي گازي جديد
دهه اخيرسرشار از توسعه توربينهاي گازي در اندازه و كارايي بوده است. شكي نيست كه در سالهاي آتي نيز اين كار ادامه مي‌يابد. همچنين استفاده از سيكلهاي تركيبي، به خاطر بازيابي بهتر گرما، رو به فزوني است. با پيشرفتهاي انجام گرفته در توربينهاي گازي، بايد شكل سيكلهاي تركيبي نيز توسعه يابند تا تواناييهاي بازيابي گرما نيز بهتر شود. از اين رو، به سيستمهاي پيچيده‌تر توجه مي‌شود. دراين مقاله سيكلهاي تركيبي مختلفي مورد بحث قرار مي‌گيرد. علاوه بر سيكلهاي تركيبي دو فشاره قديمي، به سيكلهاي سه فشاره نيز توجه مي‌شود. براي هر سيستم، مجموعه‌اي از متغيرهاي بهينه (مثل فشار بخار و غيره) ارايه مي‌شود. تاثير ري‌هيت در سيكلهاي دو وسه فشاره و فوق بحراني بررسي، و اثر تغيير پارامترهاي سيكل بخار، مثل افزايش دماي بخار به بيشتر از 570 درجه سانتي‌گراد در نظر گرفته مي‌شود. علاوه بر ديد ترموديناميكي، به تركيب و ترتيب خاص مولدهاي بخار نيز توجه مي‌شود.
امرزوه طرحهاي جديد توربينهاي گازي كه با دماي ورودي (TIT) بالاتر كار مي‌كنند، موجود است. استفاده از اين ماشينهاي جديد بازده سيكل تركيبي را افزايش مي‌دهد. زيرا با افزايش دماي ورودي به توربين گاز بازده و دماي خروجي از آن زيادتر مي‌شود و اين دو باعث افزايش بازده سيكل تركيبي مي‌شود.) افزايش دماي خروجي توربين گاز، باعث زياد شدن دماي بخار سوپرهيت تا 540 درجه سانتي‌گراد وحتي 570 درجه سانتي‌گراد مي‌شود. بازده سيكل بخار (سيكل رانكين) بستگي مستقيمي به دمياي سوپرهيت دارد. بنابراين مي‌توان با افزايش دماي خروجي توربين گاز بازده كلي سيكل تركيبي را افزايش داد.
همچنين با آرايش مناسب در سيكل تركيبي و كاربرد ري‌هيتر، مي‌توان استفاده بهتري از اين دماي زياد در خروجي توربين گاز كرد. در اين مقاله شايستگيهاي نسبي حالتهاي مختلف سيكلهاي تركيبي، از سيستم دو فشاره تا سيستمهاي سه فشاره، با ري‌هيتر و شرايط فوق بحراني براي بخار، مورد بحث قرار مي‌گيرند.
توربين گاز
مشخصات توربين گازي كه در اين مطالعه در نظر گرفته شده در جدول 1 آمده است. در سيكل تركيبي، اين توربين با گاز طبيعي كار مي‌كند. افت فشار در ورودي كمپرسور mbar 10 و در خروجي توربين mbar25 است. همان‌طور كه در جدول 1 ملاحظه مي‌شود، اين افتهاي فشار، عملكرد سيستم توربين گاز را از حالت طراحي دور مي‌كند.
مشخصات سيكل تركيبي
حالتهاي مختلفي براي سيكل تركيبي در نظر گرفته شده است ولي همگي سيماي مشتركي دارند. در جدول 2 مشخصات سيكل آورده شده است. شكل 1 نمايي از سيكل تركيبي دو فشاره را نشان مي‌دهد. وظيفه توليد قدرت بر عهده يك توربين بخار (فشار بالا HP و فشار پايين LP) و دو سيستم توربين گاز است.
مولد بخار بازياب گرما (HRSG) همان فصل مشترك سيكل گازي و بخار است. در HRSG از انرژي حرارتي موجود در جريان خروجي از توربين گاز براي تبخير، سوپرهيت و ري‌هيت كردن بخار استفاده مي‌شود. يك كندانسور و يك هوازدا نيز در شكل ديده مي‌شوند. اين مبدلهاي حرارتي به صورت سوپرهيتر و ري‌هيتر و يا تبخير‌كننده عمل مي‌كنند. تبخيركننده‌ها، به صورت يك ديگ بخار گردشي با درام در ارتباطند.
بهينه‌سازي
تمام سيكلهاي ارايه شده دراين مقاله، براي حداكثر بازده نيروگاه بهينه شده‌اند. بهينه‌سازي تابع قيود مختلفي است كه از ديد عملي مطرح مي‌شوند. اين قيودشامل ثابت نگه داشتن يا محدود كردن بعضي پارامتر‌هاست. براي مطالعه حاضر، اين قيود عبارت‌اند از:
- حداكثر دماي بخار فشار بالا (HP) ري‌هيت و سوپرهيت 570 درجه سانتي‌گراد
- حداقل دماي نقطه پينچ 10 درجه سانتي‌گراد
- حداقل اختلاف دماي بخار و گاز: 20 درجه سانتي‌گراد
اين دو مورد آخري باعث مي‌شوند كه مساحت سطح مبدلهاي حرارتي در حد معقولي بماند.
- حداقل دماي دودكش: 75 درجه سانتي‌گراد
اين مقدار بستگي به مقدار سولفور موجود در سوخت دارد. مقدار 75 درجه سانتي‌گراد مربوط به گاز طبيعي عاري از سولفور است. اين دما به مقدار دماي نقطه شبنم برمي‌گردد كه وجود سولفور در محصولات احتراق مساله خوردگي را در حضور آب تشديد مي‌كند.
- حداقل كيفيت بخار در خروجي توربين بخار LP: 0/88
اين مقدار نسبت جرم بخار موجود در واحد جرم مخلوط بخارو مايع است. كيفيت بخار در خروجي توربين بخار LP معمولاً بالاتر از اين مقدار نگه داشته مي‌شود. براي مقادير كمتر از اين، بايد تجهيزات خاصي را براي تسخير قطرات آب تعبيه كرد تا خطرات ناشي از برخورد اين قطرات با سطوح پره‌هاي توربين كاهش يابد.
- حداكثر فشار كاري براي سيكلهاي غيربحراني: bar160
اين مقدار مربوط به ديگهاي بخار (يا تبخير‌كننده) از نوع گردشي است. براي حالتهاي فوق بحراني كه از ديگهاي بخار يك بار عبور استفاده مي‌شود، اين مقدار بيشتر خواهد بود.
فرايند بهينه‌سازي طوري انجام مي‌شود كه همه قيدهاي ذكر شده ارضا شوند. بهينه‌سازي توسط نرم‌افزار‌هاي كامپيوتري GTCALC و CCCALC كه به ترتيب براي تحليل توربين گاز و سيكل تركيبي اختصاص دارد، انجام مي‌گيرد. اين نرم‌افزار‌هاي كامپيوتري را دانشگاه ليگ و صنايع مكانيك كوكريل در بلژيك توسعه داده‌اند.
حالتهاي در نظر گرفته شده
هفت شكل مختلف سيكل تركيبي در اين مقاله بررسي شده‌اند، عبارتند از:
- سيكل بدون ري‌هيت دو فشاره (P2)
- سيكل بدون ري‌هيت سه فشاره (P3)
- سكيل با ري‌هيت دو فشاره (PR2)
- سيكل با كمي ري‌هيت سه فشاره (PM3)
- سيكل با ري‌هيت سه‌فشاره (PR3)
- سيكل فوق بحراني ري‌هيت دو فشاره (PRS2)
- سيكل فوق بحراني ري‌هيت سه فشاره (PRS3)
- در سيكل PM3 فقط قسمتي از بخار فشار متوسط (IP) ري‌هيت مي‌شود. شكل 2 نمايي از HRSG مربوط به اين سيكل را نشان مي‌دهد.
بهينه‌سازي پارامتري
هدف: هدف بهينه‌سازي حداكثر كردن بازده نيروگاه است. اين يك معيار خالص ترموديناميكي است كه معيارهاي اقتصادي به صورت صريح در آن نيامده است. ملاحظات اقتصادي به صورت قيدهايي، مثل اختلاف دماي پينچ، در نظر گرفته شده‌اند.
پارمترهاي بهينه‌شده: تعدادي از پارامترها طي بهينه‌سازي آزاد بوده و تغيير مي‌كنند. آنها عبارتند از:
- همه دماهاي سوپرهيت (HP, IP, LP)
- فشار همه درامها (HP,IP,LP)
- فشار ري‌هيت
- فشار سوپرهيت
- فشار هوازدا
- دماي اشتعال تكميلي
با توجه به اين پارامترها، موقعيت قيدهاي ذكر شده قبلي كمي سست مي‌شود. اين گونه قيدها دو دسته هستند:
الف) آنهايي كه قبل از محاسبات مربوط به سيكل بررسي مي‌شوند، مثل دماي دودكش و كيفيت خروجي بخار.
نتايج اصلي: وقتي سيكل بر مبناي حداكثر بازده بهينه شوند، پارامترهاي مختلفي حاصل مي‌شود كه احتياج به اصلاح و انتخاب دارند. زيرا بعضي از آنها واقعاً بهينه‌اند ولي بعضي ديگر را يك ياچند قيد محدود مي‌كنند.
- همه دماهاي بخار ري‌هيت و سوپرهيت شده حداكثر هستند. مثلاً كمتر از 570 درجه سانتي‌گراد و كمتر از اختلاف دماي گاز در HRSG و 20 درجه سانتي‌گراد
- اشتعال تكميلي بازده سيكل را كم مي‌كند
- فشار هوازدا اثر زيادي بر عملكرد ترموديناميكي سيكل ندارد (به جز از نظر عمل هوازدايي).
- فشار درام HP برابر با مقدار حداكثر bar160 است، به جز سيكلهاي p2، p3 و PM3.
در اين حالتها، فشار HP با توجه به كيفيت بخار خروجي از توربين بخار LP، محدود مي‌شود.
اطلاعات مربوط به سيكلهاي تركيبي بهينه شده در جدول 3 آمده است. در شكل 3 ارتباط بازده سيكل با بيشترين سطح فشار سيستم (فشار بخار HP)، ديده مي‌شود. همان طور كه ديده مي‌شود اين اثر براي سيكلهاي سه فشار بيشتر است.
شكل 4 بازده را فقط براي سيكلهاي بهينه شده نشان مي‌دهد. در اين شكل، تغييرات بازده فقط به آرايش و تركيب سيكل بستگي دارد. اضافه كردن ري‌هيتر و سه‌فشاره كردن سيستم باعث افزايش بازده سيكل مي‌شود.
شكل 4: بازده سيكلهاي بهينه شده هر ستون مربوط به يك نوع سيكل و محور عمودي بازده است.
در شكل 5 كيفي بخار خروجي از توربين بخار LP براي سيكلهاي مختلف بهينه شده، نشان داده شده است. ملاحظه مي‌شود كه قيد محدود‌كننده
(كيفيت = 88/0) فقط براي سيكلهاي p2، p3 و PM3 فعال است. همان‌طور كه انتظار مي‌رفت، كيفيت بخار براي سيكلهاي ري‌هيت (PR2 و PR3) بيشتر است. شكل 6 دماي گازهاي دودكش را در نيروگاههاي بهينه شده نشان مي‌دهد. از اين شكل مي‌توان نتيجه گرفت كه سيستمهاي سه‌فشاره نسبت به سيستمهاي دوفشاره دماي كمتري براي گازهاي دودكش ايجاد مي‌كنند. يعني دماي دودكش براي P3 كمتر از P2 و همچنين PR3 كمتر از PR2 است.
وجود رطوبت در خروجي توربين بخار اثر بسزايي در تغيير بازده سيكل دارد. شكل 7 اين اثر را براي سيكل P2 نشان مي‌دهد. چهار منحني كه در اين شكل مشاهده مي‌شود هر كدام مربوط به يك مقدار n است. بنابر تعريف، n درصد كاهش بازده ايزونتروپيك توربين بخار به ازاي وجود يك درصد رطوبت درخروجي آن است واضح است هر چه بازده توربين بخار كاهش يابد بازده سيكل نيز كم مي‌شود. براي 1=n (يك درصد افت بازده توربين بخار به ازاي يك درصد رطوبت در خروجي آن) يك فشار بهينه وجود دارد، كه در آن بازده سيكل بيشترين مقدار است.
سطوح انتقال حرارت
براي داشتن اطلاعات كاملي از عملكرد سيكل، سطح انتقال حرارت يك داده مفيد است. سطح انتقال حرارت به طور مستقيم به هزينه اقتصادي HRSG مربوط مي‌شود. شكل 8 مقادير NTU كل (تعداد واحدهاي انتقال) را براي سيكلهاي مختلف نشان مي‌دهد. يادآوري مي‌شود كه بنابر تعريف
NTU= AU/Cpm
كه A سطح انتقال حرارت U ضريب انتقال حرارت كلي، Cp و m گرماي ويژه و دبي جرمي گاز است . پس با فرض ثابت بودن دبي‌جرمي و خواص گاز و ضريب انتقال حرارت، NTU متناسب با سطح انتقال حرارت است. با ملاحظه شكل 8 ديده مي‌شود كه چطور سطح انتقال حرارت با پيچيدگي ديگ بخار و سيكل افزايش مي‌يابد. سيكلهاي سه‌فشاره سطح انتقال حرارت بيشتري نسبت به سيكلهاي دو فشاره لازم دارند. همچنين سيكل فوق بحراني احتياج به سطح انتقال حرارت بيشتري نسبت به سيكل غيربحراني دارد. انتقال حرارت در ديگ بخار فوق بحراني به درك درستي از محل نقطه پينچ بستگي دارد. محل نقطه پينچ در گسترده وسيعي از دما، ثابت مي‌ماند. پس براي يك پينچ داده شده، اختلاف دماي متوسط واقعي در يك مبدل حرارتي فوق بحراني كمتر از حالتهاي غيربحراني است و بنابراين سطح انتقال حرارت لازم بيشتر خواهد بود.
بنابراين، مقادير اختلاف دما درنقطه پينچ براي سيكلهاي فوق بحراني بايد انتخاب شوند. شكل 9 تغييرات بازده سيكل و NTU را بر حسب اختلاف دماي نقطه پينچ براي سيكل PRS3 نشان مي‌دهد. همان‌طور كه ديده مي‌شود، با افزايش اختلاف دماي پينچ 15 درجه سانتي‌گراد، 2/0 درصد كاهش در بازده سيكل و 20 درصد كاهش در سطح لازم انتقال حرارت، نسبت به اختلاف دماي پينچ 9 درجه سانتي‌گراد وجود دارد. يعني با گذشت كمي از بازده سيكل مي‌توان كاهش قابل ملاحظه‌اي در سطح انتقال حرارت داشت.
محدوديت دماي دودكش
در همه نتايجي كه تا اينجا ارايه شده است، حداقل دماي دودكش 75 درجه سانتي‌گراد بود. اين مقدار براي سوخت گاز طبيعي بدون سولفور بود، و طي بهينه‌سازي اين يك حداقل است نه تساوي، شكل 10 درصد كاهش بازده را براي سيكلهاي مختلف نشان مي‌دهد. دراين شكل، حداقل دماي دودكش 100 درجه سانتي‌گراد در نظر گرفته شده كه اجازه مي‌دهد كمي سولفور در سوخت باشد.
كاهش بازده سيكلهايي كه دماي دودكش كمتري دارند، بيشتر ازديگران است. همان‌طور كه در شكل 10 ملاحظه مي‌شود. سيكلهاي ري‌هيت كمتر تحت تاثير محدوديت دماي دودكش قرار مي‌گيرند. مثلاً سيكل P2 حدود 4/0 درصد كاهش بازده دارد ولي سيكل PR2 هيچ كاهشي نشان نمي‌دهد زيرا به طور معمول دماي دودكش در آن بيشتر از 100 درجه سانتي‌گراد است (جدول 3 را ببينيد). از شكل 10 نتيجه مي‌شود كه استفاده از سيستم دو فشاره با دماي دودكش محدود به 150 درجه سانتي‌گراد (به خاطر استفاده از سوخت با سولفور زياد) مناسب نيست. همچنين با بالا رفتن محدوديت دماي دودكش، بازده سيستم سه‌فشاره كاهش بيشتري خواهد داشت.
اشتعال تكميلي
شكل 11 اثر اشتعال تكميلي را بر بازده سيكل نشان مي‌دهد. همان‌طور كه ملاحظه مي‌شود، اشتعال تكميلي هميشه بازده سيكل را كم مي‌كند. ولي از اشتعال تكميلي به عنوان ابزاري براي تنظيم توان خروجي يا ميزان توليد بخار در يك سيستم توليد همزمان استفاده مي‌شود.
اثر ري‌هيت و سطح فشار سوم
اين سوال پيش مي‌آيد كه اضافه كردن ري‌هيت و سطح فشار سوم به سيستم چگونه بازده سيكل را تغيير مي‌دهد؟ ثابت مي‌شود كه بازده كلي سيكل تركيبي تابعي از حاصلضرب بازده سيكل رانكين (سيكل بخار) در كارايي HRSG است. بازده سيكل رانكين برابر نسبت توان خروجي توربين بخار بر انتقال حرارت در HRSG است. كارايي HRSG برابر نسبت انتقال حرارت در HRSG بر حداكثر حرارت قابل انتقال در HRSG است. حداكثر حرارت قابل انتقال در HRSG مقدار حرارت منتقل شده است اگر دماي دودكش مساوي دماي محيط باشد.
در شكل 12 نشان داده شده است كه سيكلهاي مختلف در كجاي صفحه بازده رانكين – كارايي HRSG قرار مي‌گيرند. براي سيكلهاي ري‌هيت، اثر اضافه كردن سطح فشار سوم فقط در كارايي HRSG اثر مي‌گذارد (PR 2 را با PR3 مقايسه كنيد). در صورتي كه معرفي ري‌هيت بيشتر بر بازده سيكل رانكين موثر است.
پس در اضافه كردن ري‌هيت با سطح فشار سوم بايد دقت كرد كه حاصلضرب بازده رانكين در كارايي HRSG افزايش يابد. زيرا توجه كردن فقط به افزايش يكي شايد همراه با كاهش ديگري بوده و در نتيجه بازده كل سيكل تغييري نكند و ياحتي كم شود.
تحليل حساسيت
شكلهاي 13 و 14 نتايج تحليل حساسيت را براي سيكل P2 نشان مي‌دهد. دراين شكلها، تاثير تغيير پارامترهاي مختلف بر يك متغير اصلي بررسي شده‌اند. در شكل 13 ديده مي‌شود كه تاثير بازده توربين بخار بر بازده كلي سيكل بيشتر از اثر فشار كندانسور و اختلاف دماي پينچ است. در شكل 14 اثر تغييرات بر NTU كل HRSG نشان داده شده است. همان طور كه ملاحظه مي‌شود، اختلاف دماي پينچ، به خصوص در بخشهاي LP تاثر زيادي بر NTU دارد.
نتيجه‌گيري:
در اين تحقيق سيكل تركيبي دو فاره p2 براي صرفه‌جويي در مصرف سوخت توسعه يافته است. معرفي يك سطح فشار سوم به تنهايي باعث پيشرفت نمي‌شود و بايد همراه با ري‌هيت باشد. از نظر افزايش بازده و سطح انتقال حرارت، يك بررسي اقتصادي بايد انجام گيرد تا بين صرفه‌جويي هزينه جاري (به خاطر افزايش بازده) و افزايش هزينه سرمايه‌گذاري (به خاطر افزايش سطح انتقال حرارت) توازني انجام گيرد.
