انواع سيكلهاي تركيبي پيشرفته باتوربينهاي گازي جديد

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 مي*يابد. 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 پيچيده*تر توجه مي*شود. دراين مقاله سيكلهاي تركيبي مختلفي مورد بحث قرار مي*گيرد. علاوه بر سيكلهاي تركيبي دو فشاره قديمي، به سيكلهاي سه فشاره نيز توجه مي*شود. براي هر سيستم، مجموعه*اي از متغيرهاي بهينه (مثل فشار بخار و غيره) ارايه مي*شود. تاثير ري*هيت در سيكلهاي دو وسه فشاره و فوق بحراني بررسي، و اثر تغيير پارامترهاي سيكل بخار، مثل افزايش دماي بخار به بيشتر از 570 درجه سانتي*گراد در نظر گرفته مي*شود. علاوه بر ديد ترموديناميكي، به تركيب و ترتيب خاص مولدهاي بخار نيز توجه مي*شود.
امرزوه طرحهاي جديد توربينهاي گازي كه با دماي ورودي (TIT) بالاتر كار مي*كنند، موجود است. استفاده از اين ماشينهاي جديد بازده سيكل تركيبي را افزايش مي*دهد. زيرا با افزايش دماي ورودي به توربين گاز بازده و دماي خروجي از آن زيادتر مي*شود و اين دو باعث افزايش بازده سيكل تركيبي مي*شود.) افزايش دماي خروجي توربين گاز، باعث زياد شدن دماي بخار سوپرهيت تا 540 درجه سانتي*گراد وحتي 570 درجه سانتي*گراد مي*شود. بازده سيكل بخار (سيكل رانكين) بستگي مستقيمي به دمياي سوپرهيت دارد. بنابراين مي*توان با افزايش دماي خروجي توربين گاز بازده كلي سيكل تركيبي را افزايش داد.


همچنين با آرايش مناسب در سيكل تركيبي و كاربرد ري*هيتر، مي*توان 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 ري*هيتر و شرايط فوق بحراني براي بخار، مورد بحث قرار مي*گيرند.

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 مي*كند. افت فشار در ورودي كمپرسور mbar 10 و در خروجي توربين mbar25 است. همان*طور كه در جدول 1 ملاحظه مي*شود، اين افتهاي فشار، عملكرد سيستم توربين گاز را از حالت طراحي دور مي*كند.

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 مي*دهد. 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 ري*هيت كردن بخار استفاده مي*شود. يك كندانسور و يك هوازدا نيز در شكل ديده مي*شوند. اين مبدلهاي حرارتي به صورت سوپرهيتر و ري*هيتر و يا تبخير*كننده عمل مي*كنند. تبخيركننده*ها، به صورت يك ديگ بخار گردشي با درام در ارتباطند.

بهينه*سازي
تمام سيكلهاي ارايه شده دراين مقاله، براي حداكثر بازده نيروگاه بهينه شده*اند. بهينه*سازي تابع قيود مختلفي است كه از ديد عملي مطرح مي*شوند. اين قيودشامل ثابت نگه داشتن يا محدود كردن بعضي پارامتر*هاست. براي مطالعه حاضر، اين قيود عبارت*اند از:
- حداكثر دماي بخار فشار بالا (HP) ري*هيت و سوپرهيت 570 درجه سانتي*گراد
- حداقل دماي نقطه پينچ 10 درجه سانتي*گراد
- حداقل اختلاف دماي بخار و گاز: 20 درجه سانتي*گراد
اين دو مورد آخري باعث مي*شوند كه مساحت سطح مبدلهاي حرارتي در حد معقولي بماند.
- حداقل دماي دودكش: 75 درجه سانتي*گراد
اين مقدار بستگي به مقدار سولفور موجود در سوخت دارد. مقدار 75 درجه سانتي*گراد مربوط به گاز طبيعي عاري از سولفور است. اين دما به مقدار دماي نقطه شبنم برمي*گردد كه وجود سولفور در محصولات احتراق مساله خوردگي را در حضور آب تشديد مي*كند.
- 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 مي*شود. براي مقادير كمتر از اين، بايد تجهيزات خاصي را براي تسخير قطرات آب تعبيه كرد تا خطرات ناشي از برخورد اين قطرات با سطوح پره*هاي توربين كاهش يابد.
- حداكثر فشار كاري براي سيكلهاي غيربحراني: bar160
اين مقدار مربوط به ديگهاي بخار (يا تبخير*كننده) از نوع گردشي است. براي حالتهاي فوق بحراني كه از ديگهاي بخار يك بار عبور استفاده مي*شود، اين مقدار بيشتر خواهد بود.
فرايند بهينه*سازي طوري انجام مي*شود كه همه قيدهاي ذكر شده ارضا شوند. بهينه*سازي توسط نرم*افزار*هاي كامپيوتري GTCALC و CCCALC كه به ترتيب براي تحليل توربين گاز و سيكل تركيبي اختصاص دارد، انجام مي*گيرد. اين نرم*افزار*هاي كامپيوتري را دانشگاه ليگ و صنايع مكانيك كوكريل در بلژيك توسعه داده*اند.

حالتهاي در نظر گرفته شده
هفت شكل مختلف سيكل تركيبي در اين مقاله بررسي شده*اند، عبارتند از:
- سيكل بدون ري*هيت دو فشاره (P2)
- سيكل بدون ري*هيت سه فشاره (P3)
- سكيل با ري*هيت دو فشاره (PR2)
- سيكل با كمي ري*هيت سه فشاره (PM3)
- سيكل با ري*هيت سه*فشاره (PR3)
- سيكل فوق بحراني ري*هيت دو فشاره (PRS2)
- سيكل فوق بحراني ري*هيت سه فشاره (PRS3)
- در سيكل PM3 فقط قسمتي از بخار فشار متوسط (IP) ري*هيت مي*شود. شكل 2 نمايي از HRSG مربوط به اين سيكل را نشان مي*دهد.

بهينه*سازي پارامتري
هدف: هدف بهينه*سازي 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 شده*اند.

پارمترهاي بهينه*شده: تعدادي از پارامترها طي بهينه*سازي آزاد بوده و تغيير مي*كنند. آنها عبارتند از:
- همه دماهاي سوپرهيت (HP, IP, LP)
- فشار همه درامها (HP,IP,LP)
- فشار ري*هيت
- فشار سوپرهيت
- فشار هوازدا
- دماي اشتعال تكميلي
با توجه به اين پارامترها، موقعيت قيدهاي ذكر شده قبلي كمي سست مي*شود. اين گونه قيدها دو دسته هستند:
الف) آنهايي كه قبل از محاسبات مربوط به سيكل بررسي مي*شوند، مثل دماي دودكش و كيفيت خروجي بخار.

نتايج اصلي: وقتي سيكل بر مبناي حداكثر بازده بهينه شوند، پارامترهاي مختلفي حاصل مي*شود كه احتياج به اصلاح و انتخاب دارند. زيرا بعضي از آنها واقعاً بهينه*اند ولي بعضي ديگر را يك ياچند قيد محدود مي*كنند.
- همه دماهاي بخار ري*هيت و سوپرهيت شده حداكثر هستند. مثلاً كمتر از 570 درجه سانتي*گراد و كمتر از اختلاف دماي گاز در HRSG و 20 درجه سانتي*گراد
- اشتعال تكميلي بازده سيكل را كم مي*كند
- 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 مي*شود.
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 مي*شود. همان طور كه ديده مي*شود اين اثر براي سيكلهاي سه فشار بيشتر است.
شكل 4 بازده را فقط براي سيكلهاي بهينه شده نشان مي*دهد. در اين شكل، تغييرات بازده فقط به آرايش و تركيب سيكل بستگي دارد. اضافه كردن ري*هيتر و سه*فشاره كردن سيستم باعث افزايش بازده سيكل مي*شود.
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 مي*شود كه قيد محدود*كننده
(كيفيت = 88/0) فقط براي سيكلهاي p2، p3 و PM3 فعال است. همان*طور كه انتظار مي*رفت، كيفيت بخار براي سيكلهاي ري*هيت (PR2 و PR3) بيشتر است. شكل 6 دماي گازهاي دودكش را در نيروگاههاي بهينه شده نشان مي*دهد. از اين شكل مي*توان نتيجه گرفت كه سيستمهاي سه*فشاره نسبت به سيستم*هاي دوفشاره دماي كمتري براي گازهاي دودكش ايجاد مي*كنند. 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 مي*دهد. چهار منحني كه در اين شكل مشاهده مي*شود 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 مي*شود. 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 مي*شود. شكل 8 مقادير NTU كل (تعداد واحدهاي انتقال) را براي سيكلهاي مختلف نشان مي*دهد. يادآوري مي*شود 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 دبي*جرمي و خواص گاز و ضريب انتقال حرارت، NTU متناسب با سطح انتقال حرارت است. با ملاحظه شكل 8 ديده مي*شود كه چطور سطح انتقال حرارت با پيچيدگي ديگ بخار و سيكل افزايش مي*يابد. سيكلهاي سه*فشاره 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 مي*ماند. 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 مي*دهد. همان*طور كه ديده مي*شود، با افزايش اختلاف دماي پينچ 15 درجه سانتي*گراد، 2/0 درصد كاهش در بازده سيكل و 20 درصد كاهش در سطح لازم انتقال حرارت، نسبت به اختلاف دماي پينچ 9 درجه سانتي*گراد وجود دارد. يعني با گذشت كمي از بازده سيكل مي*توان كاهش قابل ملاحظه*اي در سطح انتقال حرارت داشت.

محدوديت دماي دودكش
در همه نتايجي كه تا اينجا ارايه شده است، حداقل دماي دودكش 75 درجه سانتي*گراد بود. اين مقدار براي سوخت گاز طبيعي بدون سولفور بود، و طي بهينه*سازي اين يك حداقل است نه تساوي، شكل 10 درصد كاهش بازده را براي سيكلهاي مختلف نشان مي*دهد. دراين شكل، حداقل دماي دودكش 100 درجه سانتي*گراد در نظر گرفته شده كه اجازه مي*دهد كمي سولفور در سوخت باشد.
كاهش بازده سيكلهايي كه دماي دودكش كمتري دارند، بيشتر ازديگران است. همان*طور كه در شكل 10 ملاحظه مي*شود. سيكلهاي ري*هيت كمتر تحت تاثير محدوديت دماي دودكش قرار مي*گيرند. مثلاً سيكل P2 حدود 4/0 درصد كاهش بازده دارد ولي سيكل PR2 هيچ كاهشي نشان نمي*دهد زيرا به طور معمول دماي دودكش در آن بيشتر از 100 درجه سانتي*گراد است (جدول 3 را ببينيد). از شكل 10 نتيجه مي*شود كه استفاده از سيستم دو فشاره با دماي دودكش محدود به 150 درجه سانتي*گراد (به خاطر استفاده از سوخت با سولفور زياد) مناسب نيست. همچنين با بالا رفتن محدوديت* دماي دودكش، بازده سيستم سه*فشاره كاهش بيشتري خواهد داشت.

اشتعال تكميلي
شكل 11 اثر اشتعال تكميلي را بر بازده سيكل نشان مي*دهد. همان*طور كه ملاحظه مي*شود، اشتعال تكميلي هميشه بازده سيكل را كم مي*كند. ولي از اشتعال تكميلي به عنوان ابزاري براي تنظيم توان خروجي يا ميزان توليد بخار در يك سيستم توليد همزمان استفاده مي*شود.

اثر ري*هيت و سطح فشار سوم
اين سوال پيش مي*آيد كه اضافه كردن ري*هيت و سطح فشار سوم به سيستم چگونه بازده سيكل را تغيير مي*دهد؟ ثابت مي*شود 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 مي*گيرند. براي سيكلهاي ري*هيت، اثر اضافه كردن سطح فشار سوم فقط در كارايي HRSG اثر مي*گذارد (PR 2 را با PR3 مقايسه كنيد). در صورتي كه معرفي ري*هيت بيشتر بر بازده سيكل رانكين موثر است.
پس در اضافه كردن ري*هيت 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 مي*دهد. دراين شكلها، تاثير تغيير پارامترهاي مختلف بر يك متغير اصلي بررسي شده*اند. در شكل 13 ديده مي*شود 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 مي*شود، اختلاف دماي پينچ، به خصوص در بخشهاي LP تاثر زيادي بر NTU دارد.

نتيجه*گيري:
در اين تحقيق سيكل تركيبي دو فاره p2 براي صرفه*جويي در مصرف سوخت توسعه يافته است. معرفي يك سطح فشار سوم به تنهايي باعث پيشرفت نمي*شود و بايد همراه با ري*هيت باشد. از نظر افزايش بازده و سطح انتقال حرارت، يك بررسي اقتصادي بايد انجام گيرد تا بين صرفه*جويي هزينه جاري (به خاطر افزايش بازده) و افزايش هزينه سرمايه*گذاري (به خاطر افزايش سطح انتقال حرارت) توازني انجام گيرد.