استفاده بهینه از دمای خروجی توربین گاز

 

چکيده:

کلمات کليدي : توربين گاز ، سرمايش هوا ، توليد همزمان ، چيلر جذبي ، سيکل ترکيبي

به منظور افزايش بازده سيکل توربين گاز، استفاده از حرارت اگزوز نيروگاه به عنوان يک منبع بلقوه انرژي مفيد مورد توجه قرار گرفته است. اين کار هم اکنون توسط بسياري از سازندگان توربين­هاي گاز از طريق سيکل­هاي ترکيبي مختلف انجام مي­پذيرد. از طرفي از لحاظ علمي و تجربي ثابت شده است که بازدهي توربين در فصول سرد سال و  يا حتي در ساعات خنک تر روز افزايش مي­يابد به طوريکه يک درجه سانتي­گراد کاهش در دماي محيط تقريباً 1% افزايش توان توليدي را در پي خواهد داشت. بدين منظور، جهت کاهش دماي هواي ورودي به کمپرسور در فصول گرم سال با استفاده از يک سيستم تبريد جذبي که با حرارت اگزوز کار کرده، مصرف انرژي الکتريکي، هزينه­هاي عملياتي و تعمير و نگهداري آن ناچيز مي­باشد به عنوان راه حل بهينه برگزيده شده است.

در اين پروژه ابتدا ضمن مروري بر سابقه قبلي کارهاي انجام شده در جهان، سيستم­هاي مختلف تبريد و امکانپذيري طرح از نظر ترموديناميکي مورد بررسي قرار گرفت. سپس سيستم بهينه جهت خنک کردن هواي ورودي کمپرسور انتخاب و هزينه سرمايه ثابت مورد نياز آن محاسبه گرديد. در ادامه نيز اين روش با روش­هاي مرسوم ديگر براي خنک­کاري کمپرسور مورد مقايسه قرار گرفت و مزيت­هاي روش پيشنهادي نسبت به ديگر روش­هاي مرسوم براي خنک­کاري هوا مورد مقايسه قرار گرفت.

پس از آن سيستم پيشنهادي با سيستم هاي متداول ديگري که به منظور افزايش راندمان و توان توربين گاز مورد استفاده قرار مي­گيرد مقايسه گرديده است. اين سيستم­ها شامل سيکل ترکيبي توربين گاز و توربين بخار،STIG و تبخيري مي­باشد. براساس نتايج حاصله سيکل ترکيبي توربين گاز و تبريد جذبي به عنوان راه حل بهينه براي افزايش توان واحدهاي کوچک توربين گاز پيشنهاد مي­گردد. هزينه ساخت، نصب و هزينه هاي عملياتي اين سيستم در مقايسه با سيستم­هاي ديگر بسيار کمتر مي­باشد. درمورد واحدهاي بزرگ توربين گاز، مي­توان از سيکل ترکيبي متداول گاز و بخار استفاده نمود و يا از تعدادي سيستم تبريد جذبي موازي جهت سرد کردن هواي ورودي کمپرسور استفاده کرد.

در ادامه چند نمونه اجرا شده در سطح جهان مورد بررسي قرار گرفت و پس ار آن هزينه عملياتي سيستم تبريد جذبي در مقايسه با سيکل­هاي ديگر به منظور 5.5 مگاوات اضافه توان توليدي بررسي گرديد.

از نتايج اين پروژه علاوه بر امکان پذير بودن طرح چه از نظر علمي و تجربي و چه از نظر اقتصادي مي­توان به کم بودن هزينه­هاي عملياتي، تعمير و نگهداري، عاري بودن سيستم از مواد آلوده کننده محيط زيست مانند آمونياک(در چيلر ليتيوم برومايد) و يا گازهاي CFC، امکان استفاده از آن براي توليد همزمان و توانايي توليد تجهيزات در داخل کشور و عدم وابستگي به کشور­هاي خارجي اشاره کرد. 

 

 

 

 

فصل اول

مقدمه:

تأمين انرژي الکتريکي کافي و مطمئن به منظور تأمين نيرو محرکه صنعت، کشاورزي، خدمات و مصارف خانگي از اصلي­ترين نيازها و ملزومات پيشرفت همه جانبه و توسعه پايدار مي­باشد. در حال حاظر بخش عمده انرژي الکتريکي مورد نياز توسط نيروگاه­هاي بخاري، گازي، سيکل ترکيبي و هسته­اي توليد مي­گردد. در تمامي اين نيروگاه­ها تبديل انرژي حرارتي به انرژي الکتريکي توسط توربين­هاي گاز و بخار صورت مي­گيرد. لذا مسائل مربوط به طراحي، ساخت و بهره برداري بهينه از توربين­هاي گاز و بخار از بالاترين درجه اهميت علمي فني و اقتصادي برخوردار است.

توربين­هاي گاز هر روز کاربرد وسيع­تري در مهندسي قدرت پيدا مي­کنند. مجموعه­هاي توربين گاز به دليل قابليت مطلوب در راه­اندازي، اغلب براي تأمين بار پايه در نيروگاه­هاي کوچک موثر به نظر مي­رسد. استفاده جدي از توربين­هاي گاز کمي قبل از جنگ جهاني دوم و با نوع« قدرت محوري» شروع شد، ليکن به زودي نظرها متوجه موتورهاي توربوجت براي توليد نيرو محرکه موتور جت گرديد. فقط در نيمه دهه پنجاه بود که توربين گاز به طور موفقيت آميز در ساير زمينه­ها نيز شروع به رقابت کرد. ليکن از آن زمان تاکنون رقابت در حال پيشرفت و فشرده­تري در افزايش تنوع مورد استفاده مختلف داشته است.

 

1-1)                    نيروگاه نمونه مورد بحث:

نيروگاه گازي شيراز واقع در بلوار مدرس با دارا بودن هشت واحد توربين گاز از انواع مختلف هم اکنون بالغ بر 120 مگاوات برق توليد و وارد شبکه مي­نمايد. آنچه در مورد توربين گاز مهم است اين است که گازي که با دبي جرمي  وارد توربين مي­شود داري انرژي است که مقدار تقريبي آن از رابطه   قابل محاسبه است. از اين انرژي، مقداري از آن به کار تبديل شده، و پره توربين را مي­چرخاند. مقدار اين کار بستگي به بازدهي توربين دارد. هر چه مقدار  گاز بيشتر باشد انرژي گاز بيشتر خواهد شد.

راه­هاي مختلفي براي براي افزايش  گاز پيشنهاد شده است که از آن جمله مي­توان به کاهش دماي هواي ورودي به کمپرسور و يا افزايش مقداري بخار آب به منظور  افزايش دانسيته هواي ورودي اشاره کرد. به طور خلاصه توجيه امر اين است که بر طبق قانون گازهاي ايده­آل براي يک حجم و فشار ثابت، هر چقدر دما کمتر باشد تعداد مول گاز بيشتر خواهد بود. همچنين به طور تجربي ثابت شده است که رابطه معکوس و خطي، بين دماي هواي محيط و توان توليدي توربين وجود دارد. به عنوان مثال در يکي از توربين هاي نيروگاه گازي شيراز توان توليدي در دماي°C45 حدود MW5/16 ميباشد. در اثر کاهش دماي ورودي به صفر درجه سانتي­گراد توان توليدي به حدود 5/23 مگاوات افزايش مي­يابد. دماي بهينه هواي ورودي به کمپرسور 15 درجه سانتي­گراد است. دماي گاز خروجي تابع بار بوده وبين 300 تا °C480 متغير مي­باشد.

شکل 1- 1: سيکل توربين گاز

 

در اين طرح سعي بر اين است که به منظور افزايش توان توليدي توربين، دماي هواي ورودي به کمپرسور در فصول گرم سال تا حد امکان (حدود°C15) کاهش ­يابد. بدين منظور تبريد جذبي پيشنهاد گرديده است. علت پيشنهاد اين سيستم، امکان استفاده آن از حرارت خروجي اگزوز نيروگاه مي­باشد. لازم به ذکر است که سيستم تبريد مورد نظر عمدتاً براي ماه­هاي گرم سال مورد نياز است و براي ماه­هاي سرد سال مي­توان از حرارت خروجي اگزوز براي راه­اندازي سيستم گرمايش تأسيسات مجاور استفاده نمود.

 

1-2) شرح موضوع و اهداف طرح:  

حفاظت محيط زيست استفاده از تکنولوژي­هاي سازگارتر با محيط زيست را مي­طلبد. در زمينه توليد انرژي، استفاده از توربين گاز که نسبت به سيستم­هاي ديگر آلودگي کمتري دارد مورد توجه قرار گرفته است. همچنين سهولت در نصب و راه­اندازي توربين گاز و وفور منابع گاز طبيعي و ارزاني نسبي آن، افزايش تقاضا در اين زمينه را موجب شده است. ولي بازدهي توربين گاز به تنهايي به مراتب کمتر از سيستم­هاي توليد انرژي نفت سوز يا ذغال سنگ سوز مي­باشد. دليل اصلي اين امر خروج گاز­هاي حاصل از احتراق در دماي بالا از اگزوز توربين گاز است. به همين دليل تغيرات گوناگوني در طراحي توربين گاز ايجاد شده و بدون اينکه از جذابيت اقتصادي سيستم کاسته شود افزايش بازده سيستم را در پي داشته است.

معهذا بازده دستگاه به شدت تابع دماي هواي ورودي به کمپرسور (به خصوص در نواحي مرطوب و گرمسيري و داغ بدون آب) مي­باشد.

بالا بودن دماي محيط باعث محدوديت جرم هواي ورودي به کمپرسور(  ) شده و در نتيجه کاهش توان خروجي توربين را به دنبال خواهد داشت. به عنوان مثال، °C1 افزايش در دماي محيط، باعث 1% کاهش در توان توربين(Rated Power) مي­شود. بنابراين توربين گاز که (به دليل کم بودن زمان راه اندازي آن و سهولت کار ) بايستي در ساعات اوج مصرف نيروي برق (که معمولاً در کشورهايي نظير کشور ما با آب و هواي گرم، در گرم­ترين ساعات روز مي­باشد) جوابگوي نياز باشد، عملاً کارآيي مطلوب را نخواهد داشت.

تجربه نيز نشان داده است که بازدهي توربين گاز در فصول گرم سال و يا حتي در ساعات خنک­تر روز افزايش مي­يابد. براي اين منظور استفاده از سيستم­هاي چيلر فشرده کردن بخار[1]، سرمايش تبخيري[2] و چيلر جذبي[3] ممکن است بتواند جواب گوي نياز باشد. در نگاه اول مي­توان دريافت که سيستم چيلر با کمپرس بخار به دليل مصرف انرژي الکتريکي نسبتاً زياد آن چندان مطلوب نمي­باشد و هميشه مقداري از افزايش توان توليدي توربين گاز بايستي صرف راه اندازي و کارکرد خود سيستم گردد . سرمايش تبخيري نيز به دليل وابستگي آن به رطوبت محيط در مناطق مرطوب قابل استفاده نيست.

سيستم چيلر جذبي مي­تواند با استفاده از حرارت خروجي اگزوز نيروگاه کار کرده و مصرف انرژي الکتريکي نخواهد داشت. همچنين کارآيي آن به رطوبت محيط وابسته نبوده و فقط به ظرفيت چيلر محدود مي­شود. آب سرد توليد شده در چيلر جذبي مي­تواند دماي هواي ورودي به کمپرسور را تا شرايط ISO (دماي °C15) کاهش مي­دهد.

مسلم است که براي رسيدن به شرايط ايزو با در دست داشتن هواي محيط بايد اثر رطوبت نسبي را در نظر گرفت. چون در شرايط محيطي، هواي خروجي از سيستم در دماي°C 15 تقريباً اشباع مي­باشد.چون رطوبت نسبي هواي شيراز در فصول گرم سال ناچيز است، لذا در اين مطالعه پيشنهاد مي­شود که هواي ورودي کمپرسور تا°C15 سرد شود و اثر رطوبت نسبي ناديده گرفته شود.

 

1-2-1) توربين گاز و رابطه توان خروجي آن با دماي محيط:

اصولاً يک سيستم توربين گازي ساده از يک کمپرسور، محفظه احتراق و توربين تشکيل شده است (شکل 1-1). هواي محيط به درون محفظه کمپرسور چند مرحله­اي وارد شده و فشار آن تا حدود 10 برابر فشار اتمسفر افزايش مي­يابد. هواي فشرده وارد محفظه احتراق شده و در اثر تزريق سوخت عمل احتراق صورت مي­گيرد. گازهاي حاصل از احتراق وارد توربين شده و در اثر انبساط نيروي محرکه مورد نياز را توليد مي­نمايد. درصدي از توان توليدي توربين صرف حرکت کمپرسور شده و بقيه در ژنراتور به انرژي الکتريکي تبديل مي­گردد.

سه عامل اصلي که بر راندمان توربين گازي مؤثرند عبارت است از:

1.    دماي هواي ورودي

2.    فشار هواي ورودي

3.    افت فشار هاي مرتبط با هواي ورودي و گاز خروجي از اگزوز.

اطلاعات مربوط به اين افت فشار­ها معمولاً در کاتالوک­هاي شرکت سازنده ارائه مي­گردد و محاسبه آنها معمولاً مشکل مي­باشد. فشار هواي ورودي تابعي از منطقه جغرافيايي بوده و به ارتفاع منطقه از سطح دريا بستگي دارد. دماي هواي ورودي نيز در فصول مختلف سال  و حتي در طي ساعات مختلف روز تغيير مي­نمايد.

توان خروجي توربين بر حسب تابعي از دما در کاتالوگ­هاي شرکت سازنده ارائه شده است. شکل1-2 که از کاتالوگهاي شرکت ABB استخراج شده است نمونه اي از اين تغييرات را نشان مي­دهد.

براي توان خروجي مي توان رابطه زير را از منحني به دست آورد.

در رابطه فوق توان بر حسب مگاوات و T دماي محيط بر حسب°C مي­باشد.

شکل 1- 2: نمودار تغييرات توان خروجي توربين بر حسب دماي محيط.

 

افزايش دماي هواي محيط از °C15به °C30 کاهش توان تا حدود 15% را به دنبال خواهد داشت. در مورد توربين­هايي که در مناطق خشک و در مناطقي که اختلاف دماي روزانه از°C10 تا °C45 و اختلاف دماي هوا در فصول مختلف سال بين °C25 تا °C35 مي­باشد اين موضوع حادتر است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

مروري برمنابع علمي جهت اطلاع از کار هاي انجام شده قبلي

 

بر اساس تحقيقات کيامه[4] ]4[ توربين گاز وسيله­اي است که شديداً تابع دماي محيط مي­باشد. هر پارامتر که بر دبي ورودي به کمپرسور توربين گاز موثر باشد، بر روي کارآيي توربين گاز نيز تأثير گذار است. در شکل 2-1 تاثير دماي هواي ورودي بر توان خروجي[5] ، هيت ريت[6] ، مصرف حرارت[7] و دبي گازهاي خروجي از اگزوز براي يک توربين تک محوره صنعتي که توسط کيامه از طرف شرکت جنرال الکتريک معرفي شده است را نشان مي دهد.

شکل 2- 1: تاثير محيط بر توربين گاز]4[.

 

                             

                                                                                            

ما را در سایت مکانیک دنبال می‌کنید

برچسب: نویسنده: ارشک بازدید: 818 تاريخ: شنبه 2 ارديبهشت 1391 ساعت: 17:23