انواع سیکلهای ترکیبی پیشرفته باتوربینهای گازی جدید

دهه اخیرسرشار از توسعه توربینهای گازی در اندازه و کارایی بوده است. شکی نیست که در سالهای آتی نیز این کار ادامه می‌یابد. همچنین استفاده از سیکلهای ترکیبی، به خاطر بازیابی بهتر گرما، رو به فزونی است. با پیشرفتهای انجام گرفته در توربینهای گازی، باید شکل سیکلهای ترکیبی نیز توسعه یابند تا تواناییهای بازیابی گرما نیز بهتر شود. از این رو، به سیستمهای پیچیده‌تر توجه می‌شود. دراین مقاله سیکلهای ترکیبی مختلفی مورد بحث قرار می‌گیرد. علاوه بر سیکلهای ترکیبی دو فشاره قدیمی، به سیکلهای سه فشاره نیز توجه می‌شود. برای هر سیستم، مجموعه‌ای از متغیرهای بهینه (مثل فشار بخار و غیره) ارایه می‌شود. تاثیر ری‌هیت در سیکلهای دو وسه فشاره و فوق بحرانی بررسی، و اثر تغییر پارامترهای سیکل بخار، مثل افزایش دمای بخار به بیشتر از ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود. علاوه بر دید ترمودینامیکی، به ترکیب و ترتیب خاص مولدهای بخار نیز توجه می‌شود.
امرزوه طرحهای جدید توربینهای گازی که با دمای ورودی (TIT) بالاتر کار می‌کنند، موجود است. استفاده از این ماشینهای جدید بازده سیکل ترکیبی را افزایش می‌دهد. زیرا با افزایش دمای ورودی به توربین گاز بازده و دمای خروجی از آن زیادتر می‌شود و این دو باعث افزایش بازده سیکل ترکیبی می‌شود.) افزایش دمای خروجی توربین گاز، باعث زیاد شدن دمای بخار سوپرهیت تا ۵۴۰ درجه سانتی‌گراد وحتی ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد می‌شود. بازده سیکل بخار (سیکل رانکین) بستگی مستقیمی به دمیای سوپرهیت دارد. بنابراین می‌توان با افزایش دمای خروجی توربین گاز بازده کلی سیکل ترکیبی را افزایش داد.

همچنین با آرایش مناسب در سیکل ترکیبی و کاربرد ری‌هیتر، می‌توان استفاده بهتری از این دمای زیاد در خروجی توربین گاز کرد. در این مقاله شایستگیهای نسبی حالتهای مختلف سیکلهای ترکیبی، از سیستم دو فشاره تا سیستمهای سه فشاره، با ری‌هیتر و شرایط فوق بحرانی برای بخار، مورد بحث قرار می‌گیرند.

توربین گاز
مشخصات توربین گازی که در این مطالعه در نظر گرفته شده در جدول ۱ آمده است. در سیکل ترکیبی، این توربین با گاز طبیعی کار می‌کند. افت فشار در ورودی کمپرسور mbar 10 و در خروجی توربین mbar25 است. همان‌طور که در جدول ۱ ملاحظه می‌شود، این افتهای فشار، عملکرد سیستم توربین گاز را از حالت طراحی دور می‌کند.

مشخصات سیکل ترکیبی
حالتهای مختلفی برای سیکل ترکیبی در نظر گرفته شده است ولی همگی سیمای مشترکی دارند. در جدول ۲ مشخصات سیکل آورده شده است. شکل ۱ نمایی از سیکل ترکیبی دو فشاره را نشان می‌دهد. وظیفه تولید قدرت بر عهده یک توربین بخار (فشار بالا HP و فشار پایین LP) و دو سیستم توربین گاز است.
مولد بخار بازیاب گرما (HRSG) همان فصل مشترک سیکل گازی و بخار است. در HRSG از انرژی حرارتی موجود در جریان خروجی از توربین گاز برای تبخیر، سوپرهیت و ری‌هیت کردن بخار استفاده می‌شود. یک کندانسور و یک هوازدا نیز در شکل دیده می‌شوند. این مبدلهای حرارتی به صورت سوپرهیتر و ری‌هیتر و یا تبخیر‌کننده عمل می‌کنند. تبخیرکننده‌ها، به صورت یک دیگ بخار گردشی با درام در ارتباطند.

بهینه‌سازی
تمام سیکلهای ارایه شده دراین مقاله، برای حداکثر بازده نیروگاه بهینه شده‌اند. بهینه‌سازی تابع قیود مختلفی است که از دید عملی مطرح می‌شوند. این قیودشامل ثابت نگه داشتن یا محدود کردن بعضی پارامتر‌هاست. برای مطالعه حاضر، این قیود عبارت‌اند از:
– حداکثر دمای بخار فشار بالا (HP) ری‌هیت و سوپرهیت ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد
– حداقل دمای نقطه پینچ ۱۰ درجه سانتی‌گراد
– حداقل اختلاف دمای بخار و گاز: ۲۰ درجه سانتی‌گراد
این دو مورد آخری باعث می‌شوند که مساحت سطح مبدلهای حرارتی در حد معقولی بماند.
– حداقل دمای دودکش: ۷۵ درجه سانتی‌گراد
این مقدار بستگی به مقدار سولفور موجود در سوخت دارد. مقدار ۷۵ درجه سانتی‌گراد مربوط به گاز طبیعی عاری از سولفور است. این دما به مقدار دمای نقطه شبنم برمی‌گردد که وجود سولفور در محصولات احتراق مساله خوردگی را در حضور آب تشدید می‌کند.
– حداقل کیفیت بخار در خروجی توربین بخار LP: 0/88
این مقدار نسبت جرم بخار موجود در واحد جرم مخلوط بخارو مایع است. کیفیت بخار در خروجی توربین بخار LP معمولاً بالاتر از این مقدار نگه داشته می‌شود. برای مقادیر کمتر از این، باید تجهیزات خاصی را برای تسخیر قطرات آب تعبیه کرد تا خطرات ناشی از برخورد این قطرات با سطوح پره‌های توربین کاهش یابد.
– حداکثر فشار کاری برای سیکلهای غیربحرانی: bar160
این مقدار مربوط به دیگهای بخار (یا تبخیر‌کننده) از نوع گردشی است. برای حالتهای فوق بحرانی که از دیگهای بخار یک بار عبور استفاده می‌شود، این مقدار بیشتر خواهد بود.
فرایند بهینه‌سازی طوری انجام می‌شود که همه قیدهای ذکر شده ارضا شوند. بهینه‌سازی توسط نرم‌افزار‌های کامپیوتری GTCALC و CCCALC که به ترتیب برای تحلیل توربین گاز و سیکل ترکیبی اختصاص دارد، انجام می‌گیرد. این نرم‌افزار‌های کامپیوتری را دانشگاه لیگ و صنایع مکانیک کوکریل در بلژیک توسعه داده‌اند.

حالتهای در نظر گرفته شده
هفت شکل مختلف سیکل ترکیبی در این مقاله بررسی شده‌اند، عبارتند از:
– سیکل بدون ری‌هیت دو فشاره (P2)
– سیکل بدون ری‌هیت سه فشاره (P3)
– سکیل با ری‌هیت دو فشاره (PR2)
– سیکل با کمی ری‌هیت سه فشاره (PM3)
– سیکل با ری‌هیت سه‌فشاره (PR3)
– سیکل فوق بحرانی ری‌هیت دو فشاره (PRS2)
– سیکل فوق بحرانی ری‌هیت سه فشاره (PRS3)
– در سیکل PM3 فقط قسمتی از بخار فشار متوسط (IP) ری‌هیت می‌شود. شکل ۲ نمایی از HRSG مربوط به این سیکل را نشان می‌دهد.

بهینه‌سازی پارامتری
هدف: هدف بهینه‌سازی حداکثر کردن بازده نیروگاه است. این یک معیار خالص ترمودینامیکی است که معیارهای اقتصادی به صورت صریح در آن نیامده است. ملاحظات اقتصادی به صورت قیدهایی، مثل اختلاف دمای پینچ، در نظر گرفته شده‌اند.

پارمترهای بهینه‌شده: تعدادی از پارامترها طی بهینه‌سازی آزاد بوده و تغییر می‌کنند. آنها عبارتند از:
– همه دماهای سوپرهیت (HP, IP, LP)
– فشار همه درامها (HP,IP,LP)
– فشار ری‌هیت
– فشار سوپرهیت
– فشار هوازدا
– دمای اشتعال تکمیلی
با توجه به این پارامترها، موقعیت قیدهای ذکر شده قبلی کمی سست می‌شود. این گونه قیدها دو دسته هستند:
الف) آنهایی که قبل از محاسبات مربوط به سیکل بررسی می‌شوند، مثل دمای دودکش و کیفیت خروجی بخار.

نتایج اصلی: وقتی سیکل بر مبنای حداکثر بازده بهینه شوند، پارامترهای مختلفی حاصل می‌شود که احتیاج به اصلاح و انتخاب دارند. زیرا بعضی از آنها واقعاً بهینه‌اند ولی بعضی دیگر را یک یاچند قید محدود می‌کنند.
– همه دماهای بخار ری‌هیت و سوپرهیت شده حداکثر هستند. مثلاً کمتر از ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد و کمتر از اختلاف دمای گاز در HRSG و ۲۰ درجه سانتی‌گراد
– اشتعال تکمیلی بازده سیکل را کم می‌کند
– فشار هوازدا اثر زیادی بر عملکرد ترمودینامیکی سیکل ندارد (به جز از نظر عمل هوازدایی).
– فشار درام HP برابر با مقدار حداکثر bar160 است، به جز سیکلهای p2، p3 و PM3.
در این حالتها، فشار HP با توجه به کیفیت بخار خروجی از توربین بخار LP، محدود می‌شود.
اطلاعات مربوط به سیکلهای ترکیبی بهینه شده در جدول ۳ آمده است. در شکل ۳ ارتباط بازده سیکل با بیشترین سطح فشار سیستم (فشار بخار HP)، دیده می‌شود. همان طور که دیده می‌شود این اثر برای سیکلهای سه فشار بیشتر است.
شکل ۴ بازده را فقط برای سیکلهای بهینه شده نشان می‌دهد. در این شکل، تغییرات بازده فقط به آرایش و ترکیب سیکل بستگی دارد. اضافه کردن ری‌هیتر و سه‌فشاره کردن سیستم باعث افزایش بازده سیکل می‌شود.
شکل ۴: بازده سیکلهای بهینه شده هر ستون مربوط به یک نوع سیکل و محور عمودی بازده است.
در شکل ۵ کیفی بخار خروجی از توربین بخار LP برای سیکلهای مختلف بهینه شده، نشان داده شده است. ملاحظه می‌شود که قید محدود‌کننده
(کیفیت = ۸۸/۰) فقط برای سیکلهای p2، p3 و PM3 فعال است. همان‌طور که انتظار می‌رفت، کیفیت بخار برای سیکلهای ری‌هیت (PR2 و PR3) بیشتر است. شکل ۶ دمای گازهای دودکش را در نیروگاههای بهینه شده نشان می‌دهد. از این شکل می‌توان نتیجه گرفت که سیستمهای سه‌فشاره نسبت به سیستم‌های دوفشاره دمای کمتری برای گازهای دودکش ایجاد می‌کنند. یعنی دمای دودکش برای P3 کمتر از P2 و همچنین PR3 کمتر از PR2 است.
وجود رطوبت در خروجی توربین بخار اثر بسزایی در تغییر بازده سیکل دارد. شکل ۷ این اثر را برای سیکل P2 نشان می‌دهد. چهار منحنی که در این شکل مشاهده می‌شود هر کدام مربوط به یک مقدار n است. بنابر تعریف، n درصد کاهش بازده ایزونتروپیک توربین بخار به ازای وجود یک درصد رطوبت درخروجی آن است واضح است هر چه بازده توربین بخار کاهش یابد بازده سیکل نیز کم می‌شود. برای ۱=n (یک درصد افت بازده توربین بخار به ازای یک درصد رطوبت در خروجی آن) یک فشار بهینه وجود دارد، که در آن بازده سیکل بیشترین مقدار است.

سطوح انتقال حرارت
برای داشتن اطلاعات کاملی از عملکرد سیکل، سطح انتقال حرارت یک داده مفید است. سطح انتقال حرارت به طور مستقیم به هزینه اقتصادی HRSG مربوط می‌شود. شکل ۸ مقادیر NTU کل (تعداد واحدهای انتقال) را برای سیکلهای مختلف نشان می‌دهد. یادآوری می‌شود که بنابر تعریف
NTU= AU/Cpm
که A سطح انتقال حرارت U ضریب انتقال حرارت کلی، Cp و m گرمای ویژه و دبی‌ جرمی گاز است . پس با فرض ثابت بودن دبی‌جرمی و خواص گاز و ضریب انتقال حرارت، NTU متناسب با سطح انتقال حرارت است. با ملاحظه شکل ۸ دیده می‌شود که چطور سطح انتقال حرارت با پیچیدگی دیگ بخار و سیکل افزایش می‌یابد. سیکلهای سه‌فشاره سطح انتقال حرارت بیشتری نسبت به سیکلهای دو فشاره لازم دارند. همچنین سیکل فوق بحرانی احتیاج به سطح انتقال حرارت بیشتری نسبت به سیکل غیربحرانی دارد. انتقال حرارت در دیگ بخار فوق بحرانی به درک درستی از محل نقطه پینچ بستگی دارد. محل نقطه پینچ در گسترده وسیعی از دما، ثابت می‌ماند. پس برای یک پینچ داده شده، اختلاف دمای متوسط واقعی در یک مبدل حرارتی فوق بحرانی کمتر از حالتهای غیربحرانی است و بنابراین سطح انتقال حرارت لازم بیشتر خواهد بود.
بنابراین، مقادیر اختلاف دما درنقطه پینچ برای سیکلهای فوق بحرانی باید انتخاب شوند. شکل ۹ تغییرات بازده سیکل و NTU را بر حسب اختلاف دمای نقطه پینچ برای سیکل PRS3 نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده می‌شود، با افزایش اختلاف دمای پینچ ۱۵ درجه سانتی‌گراد، ۲/۰ درصد کاهش در بازده سیکل و ۲۰ درصد کاهش در سطح لازم انتقال حرارت، نسبت به اختلاف دمای پینچ ۹ درجه سانتی‌گراد وجود دارد. یعنی با گذشت کمی از بازده سیکل می‌توان کاهش قابل ملاحظه‌ای در سطح انتقال حرارت داشت.

محدودیت دمای دودکش
در همه نتایجی که تا اینجا ارایه شده است، حداقل دمای دودکش ۷۵ درجه سانتی‌گراد بود. این مقدار برای سوخت گاز طبیعی بدون سولفور بود، و طی بهینه‌سازی این یک حداقل است نه تساوی، شکل ۱۰ درصد کاهش بازده را برای سیکلهای مختلف نشان می‌دهد. دراین شکل، حداقل دمای دودکش ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته شده که اجازه می‌دهد کمی سولفور در سوخت باشد.
کاهش بازده سیکلهایی که دمای دودکش کمتری دارند، بیشتر ازدیگران است. همان‌طور که در شکل ۱۰ ملاحظه می‌شود. سیکلهای ری‌هیت کمتر تحت تاثیر محدودیت دمای دودکش قرار می‌گیرند. مثلاً سیکل P2 حدود ۴/۰ درصد کاهش بازده دارد ولی سیکل PR2 هیچ کاهشی نشان نمی‌دهد زیرا به طور معمول دمای دودکش در آن بیشتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است (جدول ۳ را ببینید). از شکل ۱۰ نتیجه می‌شود که استفاده از سیستم دو فشاره با دمای دودکش محدود به ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد (به خاطر استفاده از سوخت با سولفور زیاد) مناسب نیست. همچنین با بالا رفتن محدودیت‌ دمای دودکش، بازده سیستم سه‌فشاره کاهش بیشتری خواهد داشت.

اشتعال تکمیلی
شکل ۱۱ اثر اشتعال تکمیلی را بر بازده سیکل نشان می‌دهد. همان‌طور که ملاحظه می‌شود، اشتعال تکمیلی همیشه بازده سیکل را کم می‌کند. ولی از اشتعال تکمیلی به عنوان ابزاری برای تنظیم توان خروجی یا میزان تولید بخار در یک سیستم تولید همزمان استفاده می‌شود.

اثر ری‌هیت و سطح فشار سوم
این سوال پیش می‌آید که اضافه کردن ری‌هیت و سطح فشار سوم به سیستم چگونه بازده سیکل را تغییر می‌دهد؟ ثابت می‌شود که بازده کلی سیکل ترکیبی تابعی از حاصلضرب بازده سیکل رانکین (سیکل بخار) در کارایی HRSG است. بازده سیکل رانکین برابر نسبت توان خروجی توربین بخار بر انتقال حرارت در HRSG است. کارایی HRSG برابر نسبت انتقال حرارت در HRSG بر حداکثر حرارت قابل انتقال در HRSG است. حداکثر حرارت قابل انتقال در HRSG مقدار حرارت منتقل شده است اگر دمای دودکش مساوی دمای محیط باشد.
در شکل ۱۲ نشان داده شده است که سیکلهای مختلف در کجای صفحه بازده رانکین – کارایی HRSG قرار می‌گیرند. برای سیکلهای ری‌هیت، اثر اضافه کردن سطح فشار سوم فقط در کارایی HRSG اثر می‌گذارد (PR 2 را با PR3 مقایسه کنید). در صورتی که معرفی ری‌هیت بیشتر بر بازده سیکل رانکین موثر است.
پس در اضافه کردن ری‌هیت با سطح فشار سوم باید دقت کرد که حاصلضرب بازده رانکین در کارایی HRSG افزایش یابد. زیرا توجه کردن فقط به افزایش یکی شاید همراه با کاهش دیگری بوده و در نتیجه بازده کل سیکل تغییری نکند و یاحتی کم شود.

تحلیل حساسیت
شکلهای ۱۳ و ۱۴ نتایج تحلیل حساسیت را برای سیکل P2 نشان می‌دهد. دراین شکلها، تاثیر تغییر پارامترهای مختلف بر یک متغیر اصلی بررسی شده‌اند. در شکل ۱۳ دیده می‌شود که تاثیر بازده توربین بخار بر بازده کلی سیکل بیشتر از اثر فشار کندانسور و اختلاف دمای پینچ است. در شکل ۱۴ اثر تغییرات بر NTU کل HRSG نشان داده شده است. همان طور که ملاحظه می‌شود، اختلاف دمای پینچ، به خصوص در بخشهای LP تاثر زیادی بر NTU دارد.

نتیجه‌گیری:
در این تحقیق سیکل ترکیبی دو فاره p2 برای صرفه‌جویی در مصرف سوخت توسعه یافته است. معرفی یک سطح فشار سوم به تنهایی باعث پیشرفت نمی‌شود و باید همراه با ری‌هیت باشد. از نظر افزایش بازده و سطح انتقال حرارت، یک بررسی اقتصادی باید انجام گیرد تا بین صرفه‌جویی هزینه جاری (به خاطر افزایش بازده) و افزایش هزینه سرمایه‌گذاری (به خاطر افزایش سطح انتقال حرارت) توازنی انجام گیرد.

ماهنامه صنعت برق