اموزش راه اندازی درایو زیمنس
مرداد 14, 1395
روش های مختلف زمین کردن ژنراتور
مرداد 17, 1395
برای دانلود فایل PDF مقاله کلیک کنید...

نیروگاه سیکل ترکیبی چیست؟
 نیروگاه چرخه ترکیبی نیروگاهی است که شامل تعدادی توربین گاز و توربین بخار می‌شود. در این نوع نیروگاه، با استفاده از بویلر بازیاب، از حرارت موجود در گازهای خروجی از توربین‌های گاز، برای تولید بخار آب مورد نیاز در توربین‌های بخار استفاده می‌شود. اگر توربین گاز به صورت سیکل ترکیبی نباشد، گازهای خروجی آن، که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آن هدر می‌رود. در حالی که در نیروگاه سیکل ترکیبی، از این انرژی استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند. بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش می‌یابد. به صورت تئوریک، انرژی قابل بازیابی از اگزوز توربین‌های گازی حدود نصف انرژی تولید شده توسط خود توربین گاز است. بنابراین، توان توربین بخار حدود نصف توربین گاز خواهد بود. در برخی از طراحی‌ها، دو توربین گاز، انرژی مورد نیاز برای یک توربین بخار را ایجاد می‌کنند و در نتیجه، توان تولیدی توربین‌های بخار در حدود توربین‌های گاز می‌شود. یروگاه های سیکل ترکیبی (Combined cycle power plant) راه حل بسیار کارآمد، انعطاف پذیر، قابل اعتماد، مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست برای تولید برق است. نیروگاه سیکل ترکیبی در واقع ترکیبی از توربین بخار و توربین گازی می باشد به نحوی که ژنراتور توربین گازی برق را تولید می کند، درعین حال انرژی حرارتی تلف شده از توربین گاز ( توسط محصولات احتراق) برای تولید بخار مورد نیاز توربین بخار مورد استفاده قرار می گیرد و به این طریق برق اضافی تولید می شود. با ترکیب کردن این دو سیکل بهره بری از نیروگاه افزایش پیدا می کند. بازده الکتریکی از یک چرخه ساده کارخانه نیروگاه برق بدون استفاده از اتلاف گرما به طور معمول راندمانی بین ۲۵ تا ۴۰ درصد دارد، در حالی که همان نیروگاه با سیکل ترکیبی راندمان الکتریکی حدود  ۶۰ درصد را دارد. همانطور که گفته شد این نیروگاه ها از ترکیب توربین های بخار و گاز ساخته می شوند و بسته به نوع توربین ها ، دیگ های بازیافت گرما ، و دستگاه های بازیابی انواع متعددی دارند. با به کار گیری توربین های گازی در چرخه های ترکیبی  می توان پایین بودن بازده آن را بر طرف کرد و در نتیجه آن را برای تامین بار پایه به کار گرفت، در عین حال از مزایای دیگر آن نیز مانند راه اندازی  سریع و انعطاف پذیری  آن در محدوده ی گسترده ای از بار بهره مند شد. تاریخچه نیروگاه سیکل ترکیبی ایده سیکل ترکیبی برای  بهبود بازده سیکل ساده برایتون، از طریق استفاده  از حرارت گاز های خروجی توربین  گازی ، پیشنهاد شد. این امر به وسیله بازیافت گرما مورد آزمایش قرار گرفت. بازیافت گرما  توانست انرژی که از خروجی توربین گازی  هدر می رفت  را از ۷۰ به ۶۰ درصد انرژی داده شده، برساند. مبادله کن گرما امکان افزایش توان خروجی را ندارد و فقط  راندمان را افزایش می دهد. از آنجایی که مبادله کن گرما افت فشار زیادی را به سیکل وارد می کند، استفاده از آن باعث کاهش نسبت فشار توربین و در نتیجه کاهش توان خالص خروجی می شود. با توجه به توان بیشینه چرخه های ساده، از آنها در جاهایی  بهره می گیرند که راندمان خروجی از اهمیت کمتری برخوردار است. در حالی که چرخه های بازیابی را در مواردی مورد استفاده قرار می دهند که راندمان بالا نیاز است. در نتیجه توان خروجی سیکل بازیاب در حدود ۱۱ تا ۱۴ درصد پایین تر از سیکل ساده است، که در یک ارزیابی کلی به این نتیجه می رسیم که بازده نیروگاه توربین گازی  همراه با بازیاب روش پر هزینه ای است. از این رو باید به دنبال روشی بود که از طریق آن بتوان به هر دو نیاز، یعنی راندمان و توان  بالا دست یافت. راه حلی که پیشنهاد شد در واقع بهره گیری از انرژی حرارتی بسیار بالای گاز های خروجی توربین گازی  برای تولید بخار مورد نیاز نیروگاه بخار بود. توربین گازی دارای گازهایی با دمای حدود ۱۲۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد، و توربین گازی  ماشینی با دمای حدود ۵۳۰ تا ۶۴۰ درجه سانتی گراد می باشد، که با ترکیب همزمان توربین گازی در طرف گرم و توربین بخار در طرف سرد را نیروگاه سیکل ترکیبی می گویند. اولین نیروگاه سیکل ترکیبی در ۱۹۵۰ ساخته شد. از آن به بعد تعداد نیروگاه های سیکل ترکیبی به خصوص در دهه ۱۹۷۰ به سر عت افزایش یافت. انواع نیروگاه سیکل ترکیبی نیروگاه های سیکل ترکیبی از نظر نوع توربین ها و بازیاب ها و وجود مشعل به دسته های زیر تقسیم می شوند:
  1.  نیروگاه های سیکل ترکیبی با مشعل
  2. نیروگاه های سیکل ترکیبی بدون مشعل
  3. نیروگاه های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی و یا گرمایش آب تغذیه
  4. نیروگاه های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چند گانه
۵٫نیروگاه های سیکل ترکیبی با سیکل بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار

در نوع اول  از نیروگاه ها یک مشعل در داخل بویلر قرار می دهند و بیشتر در نیروگاه هایی مورد استفاده قرار می گیرد که قرار باشد بخش بخار آن به طور دائم  کار کند، که در این صورت نباید وابستگی به توربین گازی داشته باشد. در نوع دوم از این  نیروگاه ها از گاز های داغی که به عنوان  محصولات احتراقی از توربین گازی خارج می شود مورد استفاده قرار می گیرد. این دود خروجی دارای حجم بالا و دمایی حدود ۵۰۰ درجه سانتی گراد است و به داخل بویلر برای تبدیل آب به بخار ارسال می شود تا از انرژی بخار برای به حرکت در آوردن ژنراتور مورد استفاده قرار بگیرد. کاربرد گونه های مختلف سیکل های ترکیبی متفاوت است.ازنیروگاه سیکل ترکیبی  بدون مشعل بیشتر برای تامین بار پایه و میانی مورد استفاده قرار می گیرد. در نوع سوم از این نیروگاه ها در چرخه ترکیبی، گاز های خروجی یک چرخه ساده توربین گازی که شامل کمپرسور هوا(َAC)،اتاق احتراق(CC ) و توربین گازی ( GT) است، وارد دیگ بازیافت گرما ( HRB) می شود و در آنجا برای تولید بخار فوق گرم مورد استفاده قرار می گیرد. در  چرخه های ترکیبی که قدرت پایینی دارند توان توربین بخار در حدود ۵۰ درصد کمتر از توربین گازی است. در نوع چهارم این نیروگاه ها که بخار با فشار چندگانه تولید می شود، دمای گاز های خروجی دیگ بازیافت گرما کاهش می یابد و به این ترتیب بازده نیروگاه به طور کلی افزایش پیدا می کند. ساده ترین نوع این چرخه، چرخه با فشار دوگانه است، هرچند که چرخه با فشار سه گانه نیز مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان مثال در یک سیکل با فشار دوگانه، دیگ بازیافت  گرما دارای دو مدار برای تولید بخار است. مدار اول مدار فشار بالاست که بخار تولید شده در آن از مجرای ورودی توربین وارد آن می شود، و مدار دوم مدار فشار پاین است  که بخار تولید شده در آن از طبقات با فشار پایین تر وارد توربین می شود. در یک چرخه ترکیبی پیشنهادی  با فشار سه گانه، بخار دیگری با فشاری بین  فشارهای ورودی به دو توربین بخار تولید می شود. این بخار به اتاق احتراق توربین گازی تزریق می شود تا میزان گسیل اکسید های نیتروژن تا حد استاندارد تعیین شده، کاهش بیابد. در صورتی که از این روش استفاده شود، مقداری آب تلف خواهد شد که به طور پیوسته باید آن را جبران کرد.

 

نگاهی دقیق تر به سيكل تركيبي

سيكل تركيبي خصوصيت موتور يا نيروگاه توليد كننده برق است كه از بيش از يك سيكل ترمودايناميك در آن استفاده شده است. موتورهاي حرارتي فقط مي‌توانند بخشي از انرژي را كه سوخت آنها توليد مي‌كنند مصرف كنند (معمولاَ كمتر از ۵۰ درصد) حرارت باقيمانده حاصل از احتراق سوخت عموماً هدر مي‌رود. تركيب تعداد ۲ سيكل يا بيشتر مانند سيكل برايتون (Brayton) و سيكل رانكین (Rankine) باعث راندمان بيشتر خواهد شد.

 

در نيروگاه سيكل تركيبي (CCPP) يا توربين گازي سيكل تركيبي (CCGT)، ژنراتور توربين گازي برق توليد مي‌كند و حرارت كه معمولاً هدر مي‌رود براي توليد بخار آب و در نتيجه توليد برق اضافي از طريق توربين بخار استفاده مي‌شود. مرحله آخر راندمان توليد برق را افزايش مي‌دهد. اغلب نيروگاههاي گازي جديد در آمريكاي شمالي و اروپا از اين نوع هستند. در نيروگاه حرارتي، حرارت با درجه بالا به عنوان ورودي نيروگاه معمولاً در اثر احتراق سوخت به برق تبديل مي‌شود، اختلاف درجه حرارت بين ورودي و خروجي بايستي تا حد امكان زياد باشد. اين شرايط در اثر تركيب سيكل‌هاي ترموديناميك بخار و گاز به وجود مي‌آيد. اين روش براي نيروي رانش زيرآب (توربين) گازي و (توربين) بخار تركيبي (COGAS) ناميده مي‌شود.




بازيافت گرما، انرژي هدر رفته از دودكش را از ۷۰ به ۶۰ درصد انرژي داده شده مي‌رساند. استفاده از مبادله كن گرما منحصراً موجب افزايش بازده مي‌شود و توان خروجي را افزايش نمي‌دهد. در حقيقت، به دليل افت فشار بيشتري كه مبادله كن گرما به چرخه تحميل مي‌كند، استفاده از مبادله كن موجب كاهش نسبت فشار توربين و در نتيجه كاهش توان خالص خروجي به مقدار چند درصد مي‌شود. صرف نظر از اين كاهش اندك در توان خروجي، استفاده از مبادله‌كن گرما به دليل سطح تبادل گرماي زياد آن و لوله‌هاي بزرگ هوا و گاز درآن سبب گرانتر شدن نيروگاه مي‌شود. اثر ديگري كه به كارگيري مبادله‌كن گرما مي‌گذارد اين است كه نسبت فشار بهينه‌اي كه منجر به بيشينه شدن بازده مي‌شود به مقادير كوچكتر ميل مي‌كند و اين امر، توان را کاهش می دهد.

چرخه‌هاي ساده در نزديكي توان بيشينه كار مي‌كنند زيرا در مواردي مورد استفاده قرار مي‌گيرند كه بازده در آنها از اولويت عمده برخوردار نيست. در مقابل، استفاده از چرخه‌هاي بازيابي تنها هنگامي منطقي است كه در نزديكي بازده بيشينه عمل كنند. از اين رو توان خروجي چرخة بازيابي نسبت به توان چرخه ساده به مقدار بیشتری در حدود ۱۰ تا ۱۴ درصد کمتر است.

همانطور كه گفته شده بالا بردن بازده نيروگاه توربين گازي به وسيلة بازيابي روش پرهزينه‌اي است. بنابراين بايد به دنبال روشي بود كه با به كارگيري آن بتوان هر دو مقدار بازده و توان را افزايش داد. راه حلي كه براي اين منظور پيدا شده است، استفاده از انرژي بسيار زياد گازهاي خروجي توربين براي توليد بخار جهت استفاده در يك نيروگاه بخار است. اين يك روش طبيعي است چرا كه توربين گاز يك ماشين با دماي نسبتاً بالا (۱۱۰۰ تا ) و توربين بخار يك ماشين با دماي نسبتاً پايين (۵۴۰ تا ) است. اين كاركرد توأم توربين گازي در طرف گرم و توربین بخار در طرف سرد را نیروگاه چرخه ترکیبی می نامند.

چرخه‌هاي تركيبي علاوه بر داشتن بازده و توان بالا، از مزاياي ديگري نيز مانند انعطاف‌پذيري، راه‌انداز سريع، مناسب بودن براي تأمين بار پايه و عملكرد دوره‌اي و بازده بالا در محدود گسترده‌اي از تغييرات بار برخوردار است. در نيروگاههاي تركيبي امكان استفاده از زغال سنگ، سوختهاي سنتزي و انواع ديگر سوختها وجود دارد

عيب بارز چرخه تركيبي، پيچيدگي آن است، زيرا اساساً در چرخه تركيبي از دو نوع تكنولوژي متفاوت استفاده می شود.

ايده چرخ تركيبي يك ايدة تازه نيست ودر اوايل اين قرن پيشنهاد شد. اما در سال ۱۹۵۰ بود كه اولين نيروگاه تركيبي ساخته شد. بعداز آن تاريخ تعداد نيروگاههاي تركيبي نصف شده، به ويژه در دهة ۱۹۷۰، به سرعت افزايش يافت، تخمين زده مي‌شود كه تا انتهاي دهة ۱۹۷۰ در حدود ۱۰۰ واحد نيرواه تركيبي با ظرفيت كه MW 150000در سراسر جهان ساخته شود.

چرخه‌هاي تركيبي به صورت‌هاي متعددي پيشنهاد شده‌اند كه مهمترين آنها عبارتند از :

۱)ديگ بازيافت گرما با احتراق اضافي يا بدون آن

۲)ديگ بازيافت گرما مجهز به بازيابي و يا گرمايش آب تغذيه

۳)ديگ بازيافت گرما با فشار بخارچندگانه

۴)چرخه بسته توربين گازي با گرمايش آب تغذيه در چرخة بخار

طراحي نيروگاه سيكل تركيبي

در نيروگاههاي حرارتي آب به عنوان واسطه فعال عمل مي‌كند. بخار آب با فشار بالا به قطعات محكم و بزرگ نياز دارد. همچنين بخار آب با فشار بالا به آلياژهاي گران‌قيمت احتياج دارد كه از فلزاتي مانند نيكل يا كبالت ساخته شده بجاي اينكه از فولاد ارزان‌قيمت ساخته شود. اين آلياژها درجه حرارت بخار آب را تا ۶۵۵ درجه سانتي‌گراد محدود مي‌كنند در حاليكه درجه حرارت پائين دستگاه بخار در نقطه جوش تنظيم مي‌شود. با وجود اين شرايط، سيستم بخار بين ۳۵ تا ۴۲ درصد راندمان بيشتري خواهد داشت.

يك سيكل توربين گازي باز داراي كمپرسور، سيستم احتراق و توربين است. در توربين‌هاي گازي مقدار فلزي كه بايد حرارت زياد و فشار بالا را تحمل كند قابل توجه  نيست و مي‌توان از مواد ارزان‌قيمت‌تر استفاده كرد. در اين نوع سيكل حرارت ورودي به توربين (حرارت احتراق) نسبتاً زياد است (۹۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتي‌گراد). حرارت خروجي گاز دودكش نيز زياد است (۴۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتي‌گراد). بنابراين اين حرارت براي تأمين گرماي سيكل دوم كه از بخار آب به عنوان سيال فعال (سيكل رنكاين) استفاده مي‌كند به اندازه كافي زياد است.

در نيروگاه سيكل تركيبي، حرارت گاز خروجي توربين براي توليد بخار اب با عبور از طريق ژنراتور بخار بازيافت حرارت (HRSG) با حرارت بخار آب بين ۴۲۰ و ۵۸۰ درجه سانتي گراد استفاده مي‌شود. كندانسور سيكل رنكاين معمولاً به وسيله آب درياچه، رودخانه، دريا يا برج‌هاي خنك‌كننده خنك مي‌شود. اين درجه حرارت مي‌تواند به اندازه ۱۵ درجه سانتي گراد باشد.

راندمان نيروگاههاي داراي توربين گازي سيكل تركيبي

با تركيب سيكل‌هاي گازي و بخار به درجه حرارت‌هاي زياد ورودي و درجه حرارت كم خروجي مي‌توان دست يافت. به دليل اينكه اين سيكل‌ها توسط يك منبع سوخت تغذيه مي‌شوند راندمان آنها افزايش مي‌يابد. بنابراين يك نيروگاه سيكل تركيبي داراي يك سيكل ترموديناميك است كه بين درجه حرارت احتراق بالاي توربين گازي و درجه حرارت تلف شده از كندانسورهاي سيكل بخار عمل مي‌كند. در صورتي كه نيروگاه سيكل تركيبي فقط برق توليد كند، راندمان آن تا ۶۰ درصد خواهد رسيد و در صورتي كه توليد برق همراه با مصرف حرارت باشد، راندمان آن تا ۸۵ درصد افزايش خواهد يافت.

احتراق تكميلي و خنك‌كردن تيغه‌هاي توربين

به منظور افزايش مقدار بخار آب يا درجه حرارت بخار آب توليد شده ژنراتور بخار بازيافت حرارت را با احتراق تكميلي بعد از توربين گازي مي‌توان طراحي كرد. بدون احتراق تكميلي راندمان سيكل تركيبي بالاتر است. ولي احتراق تكميلي به نيروگاه امكان پاسخ به نوسانات بار الكتريكي را خواهد داد. غالباً در طراحي توربين‌هاي گازي بخشي از جريان هواي فشرده از كنار مشعل مي‌گذرد كه براي خنك‌كردن تيغه‌هاي توربين استفاده مي‌شود.

سوخت نيروگاههاي سيكل تركيبي

نيروگاههاي سيكل تركيبي معمولاً از گاز طبيعي استفاده مي‌كنند، اگرچه از سوخت‌هاي ديگري مانند گاز مصنوعي نيز در اين نيروگاهها استفاده مي‌شود. سوخت‌هاي مكمل كه در نيروگاههاي سيكل تركيبي مصرف مي‌شوند عبارتند از گاز طبيعي، ذغال‌سنگ و غيره. نيروگاههاي سيكل تركيبي خورشيدي هم‌اكنون در الجزيره و مراكش در دست ساخت مي‌باشد.

شکل زیر شمای عمومی نیروگاههای سیکل ترکیبی را نشان می دهد :

بر اساس نحوه استفاده از گاز خروجی ، نیروگاههای سیکل ترکیبی به سه دسته تقسیم بندی می شوند .
 
 ۱-نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل

در این نوع ، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی ( دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود ۵۰۰ درجه سانتی گراد است ) دارد به بویلری هدایت می شود و به جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری ، جهت تولید حرارت به کار می رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش در می آورد. این امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می گردد ، ضمن آنکه هزینه های سرمایه گذاری به ازای هر کیلو وات تا حد قابل ملاحظه ای کاهش پیدا می کند . این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده می شود و کارآیی آن در صورتی که فقط برای تولید برق به کار رود تا ۵۰ درصد هم بالا می رود .

در مناطق سردسیر با بکارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به جای کندانسور و برج خنک کن در تامین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده می شود که در این صورت راندمان تا ۸۰ درصد هم افزایش می یابد.

در شکل زیر شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل آورده شده است :

۲- نیروگاههای سیکل ترکیبی با سوخت اضافی ( مشعل)

در نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل ، کارکرد بخش بخار وابستگی کامل به کارکرد توربین گاز دارد . در مواردی که نیاز به کارکرد دائمی بخش بخار وجود دارد با تعبیه مشعل در بویلر ، به گونه ای که در صورت توقف بخش گاز کارکرد قسمت بخار با اشکال مواجه نگردد ، عملکرد مستقل این دو بخش تامین می شود و بدین ترتیب ، این نوع نیروگاههای سیکل ترکیبی شکل گرفته اند .

این نوع سیکل ترکیبی عموماٌ به منظور بالا بردن قدرت و جلوگیری از نوسانات قدرت توربین بخار با تغییر بار توربین گاز به کار گرفته می شود . امکان کارکرد واحد بخار در نقطه کار مناسب تر با تعبیه مشعل ساده ، به کارگیری سوخت مناسب و استفاده از گاز داغ خروجی توربین گاز به عنوان هوای دم عملی است . قدرت واحد گاز و واحد بخار در حداکثر بار سیستم مساوی است . راندمان این نوع سیکل ترکیبی از واحد بخاری ساده بیشتر و از سیکل ترکیبی بدون مشعل کمتر می باشد . این نوع واحد ها غالباً در مواردی که علاوه بر تامین انرژی الکتریکی ، تامین آب مصرفی و یا بخار مورد نیاز واحدهای صنعتی نیز مد نظر باشد ، به کار می رود .

شکل زیر شمای حرارتی عمومی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل را نمایش می دهد :

۳- نیروگاههای سیکل ترکیبی جهت تامین هوای دم کوره بویلر

این نوع سیکل ترکیبی مشابهت زیادی با توربین بخار معمولی دارد با این تفاوت که در نیروگاه بخاری ساده از سیستم پیش گرم کن هوا و فن تامین کننده هوای دم که خود مصرف کننده انرژی است استفاده می گردد . لیکن در این گونه سیکل ترکیبی،سیستم گرمایش و فن دمنده هوای احتراق کوره را توربین گاز بر عهده گرفته است . بدین ترتیب راندمان واحد بخاری ساده با جانشین کردن سیستم تامین هوای دم با توربین گاز ، بطور نسبی بهبود می یابد

.
 معمولاٍ این نوع سیکل ترکیبی در نیروگاههای بخاری بزرگ که سوخت آن ذغال سنگ و یا مازوت می باشد ، به کار می رود . قدرت تولیدی توربین گاز در این نوع سیکل حداکثر ۲۰ درصد قدرت تولید کل نیروگاه است .

بررسی بیشتر نیروگاههای سیکل ترکیبی

کاربرد گونه های مختلف سیکل های ترکیبی متفاوت می باشد ولی از آنجایی که سیکل های ترکیبی بدون مشعل در ارتباط با تولید بار پایه و میانی از اولویت بیشتری برخوردار است ( هزینه سرمایه گذاری کمتر، مدت زمان نصب و راه اندازی کمتر ، راندمان بالاتر و قابلیت انعطاف بیشتر )، ذیلاً به تشریح این نوع چرخه ها می پردازیم

سیکل های ترکیبی بدون مشعل

هدف اصلی در این نوع سیکل های ترکیبی ، استفاده مجدد از حرارت تلف شده اگزوز توربین گاز به منظور بالا بردن بهره وری سوخت می باشد .جهت حصول به هدف فوق و به حداقل رساندن هزینه ها ، سه رویه اجرایی در ابتدا مد نظر قرار گرفت و بر اساس آن سازندگان مختلف و تولید کنند گان انرژی الکتریکی نسبت به نصب هر پنج گونه سیکل اقدام نمودند که ذیلاٌ معرفی و تشریح می شوند :

§         چند توربین گاز ، چند بویلر و یک توربین بخار

۲- یک توربین گاز ، یک بویلر و یک توربین بخار

آرایش این گونه سیکل های ترکیبی بر پایه تقلیل هزینه سرمایه گذاری اولیه می باشد و حاصل تجارب اولیه در زمینه کاربرد چند توربین گاز با یک ژنراتور می باشد .

در این روش محور توربین گاز و محور توربین بخار و محور ژنراتور مشترک بوده و بصورت مجموعه واحد عمل می کند .

طرز کار کلی سیستم به این صورت است که گاز حاصل از احتراق توربین گاز ، قسمتی از انرژی مکانیکی خود را جهت به چرخش در آوردن توربین گاز مصرف می کند . گاز داغ خروجی از توربین گاز ، ضمن عبور از بویلر و تولید بخار وارد اتمسفر می گردد. بخار تولیدی در بویلر ، در توربین بخار منبسط شده و قسمتی دیگر از نیروی مکانیکی لازم جهت تولید انرژی الکتریکی در ژنراتور را تامین می کند .

طرح کلی این سیستم در شمای زیر منعکس می باشد :

در این روش به سبب اینکه غالباٌ ضریب قابلیت بهره برداری توربین گاز از بویلر و توربین بخار کمتر می باشد ، اگزوز کمکی برای توربین گاز بکار نمی رود و قابلیت بهره برداری کل مجموعه معادل توربین گاز خواهد بود و انجام بازدیدها و تعمیرات بویلر و توربین بخار منطبق با برنامه تعمیرات توربین گاز می باشد . به سبب عدم کاربرد اگزوز کمکی ونیز استفاده از ژنراتور مشترک ، هزینه سرمایه گذاری پایین است . ضمناٌ در مواردی که تامین آب گرم مصرفی و یا گرمایش شهر ی مورد نظر باشد معمولاٌ ژنراتور مستقل برای واحد بخار ملحوظ می شود.

بطور کلی محاسن و معایب این گونه سیستم ها به صورت زیر است :

الف  محاسن :

۱-هزینه سرمایه گذاری کمتر

۲-سادگی زیاد و معالاٌ تجهیزات بهره برداری کمتر

۳-هزینه تعمیرات و بهره برداری کمتر

۴-تلفات کمتر

۵-زمان نصب سریعتر

ب  معایب :

۱-عدم امکان بهره برداری از توربین گاز در صورت وجود عیب بر روی تجهیزات بخار ( عدم قابلیت انعطاف)
 ۲- وجود تلفات زیاد انرژی در نیم بار

بدین ترتیب معمولاٌٍ این گونه آرایش در سیکل ترکیبی به کار می رود که هدف از احداث آن تولید و تامین بار پایه باشد .

۳- دو یا چند توربین گاز ، دو یا چند بویلر و یک توربین بخار

بجز حالات استثنا ، متداول ترین گونه در این نحوه آرایش ، دو توربین گاز با بویلر های مربوطه و یک توربین بخار می باشند .

نحوه آرایش این نوع واحدها به شکل زیر است :

در این روش معمولاً ۳/۱ از انرژی الکتریکی را به توربین بخار و ۳/۲ آن را توربین گاز تولید می نماید .
 گاز داغ خروجی از هر توربین گاز وارد مستقیماً وارد بویلر مخصوص به خود می گردد. بخار خروجی از بویلر نیز وارد هدر (Header) مشترک شده و توربین بخار را تغذیه می نماید .

از آنجایی که قابلیت بهره برداری بویلر و توربین بخار بیش از توربین گاز می باشد در این آرایش این امکان وجود دارد که در صورت توقف یک واحد گازی ، واحدهای گازی دیگر بتوانند به همراه توربین بخارکارکنند .
 قدرت ژنراتور واحدهای گازی و واحد بخار دو توربین گاز مشابه می باشد . متناسب با سلیقه بهره برداری می توان با تعبیه اگزوز کمکی در حد فاصل توربین گاز و بویلر ، کارکرد مستقل توربین گاز را ( در صورت توقف توربین بخار یا بویلر ) فراهم نمود .

در این روش ایجاد امکان تعمیرات بر روی بویلر ضروری می باشد که مستلزم تعبیه دمپرهای مناسب است . ( دمپر وسیله ای است که در محل خروج گاز داغ از توربین گاز قرار می گیرد و با ایستادن در وضعیت های مختلف ، امکان انتقال گاز داغ را به اگزوز و یا بویلر فراهم می آورد .) البته وجود دمپر مستلزم انجام تعمیرات خاص و بازدیدهای ویژه می باشد که این امر به نوبه خود باعث کاهش قابلیت بهره برداری می گردد. همچنین وجود دمپر پس از مدتی بهره برداری باعث تلفات گاز داغ می گردد که نهایتاً کاهش راندمان رادرپی­خواهدداشت .
 برخی سازندگان و تولید کنندگان انرژی الکتریکی جهت ایجاد امکان بهره برداری غیر هم زمان توربین گاز و بخار ، به جای اگزوز کمکی کندانسور کمکی را توصیه می نماید . حسن این روش در این است که ضمن ایجاد امکان بهره گیری از توربین گاز در مواقع توقف توربین بخار و جلوگیری از تلفات گاز داغ از طریق اگزوز کمکی ، راه اندازی سریع بویلر و توربین بخار را باعث می گردد . این روش بیشتر در مواردی که فروش بخار و یا آب گرم مصرف شهری و صنعتی نیز مد نظر باشد مورد استفاده قرار می گیرد .

محاسن و معایب سیستم دو یا چند توربین گاز ، دو یا چند بویلر و یک توربین بخار در قیاس با واحدبخاری ساده به صورت زیر است :

الف  محاسن :

۱-هزینه سرمایه گذاری کمتر

۲-امکان اجرای مرحله ای طرح

۳-زمان نصب کوتاه تر

۴-قابلیت انعطاف بیشتر و امکان بهره برداری جزء به جزء

۵-راندمان بیشتر در حالت نیم بار

ب  معایب :

۱-نیاز به سوخت مرغوب تر

۲-عوامل کنترل بیشتر

این گونه آرایش در مواردی که هدف تامین بار پایه و میانی است به کار می رود.

۴-چند توربین گاز ، یک بویلر و یک توربین بخار

علت اصلی مطالعه بر روی این چنین آرایشی تحلیل هزینه سرمایه گذاری به حداقل ممکن می باشد در ابتدای امر به سبب عدم تقارن نوع سه توربین گاز و یک بویلر و عدم امکان توزیع یکنواخت گاز داغ به داخل بویلر ، خوردگی و فرسودگی های ایجاد شده ناشی از آن باعث شد مطالعه بر روی این نوع آرایش ها مردود شناخته شود.در صورت موفقیت در بهر ه گیری از این نوع آرایش ، در واقع ضریب آمادگی سیستم وابستگی کامل به بویلر پیدا می کرد .

 ر عمل به علت اینکه امکان کارکرد همزمان توربین های گازی ، بویلر و توربین بخار کم است و نیز گاز داغ را نمی توان در حالات مختلف به طور یکنواخت در بویلر توزیع نمود ، این روش تولیدی با اقبال مواجه نگردید .

 

۵-یک توربین گاز ، یک بویلر و چند توربین بخار

قدمت زیاد واحدهای بخاری و امکان باز سازی مجدد آنها و شرایط کار این گونه واحدها باعث شد که غالب تولیدکنندگان انرژی الکتریسیته به فکر بازسازی این گونه واحدها با استفاده از واحدهای گازی بیفتند. در این روش ضمن ایجاد امکان به کار گیری مجدد از سرمایه گذاری انجام شده ، می توان نسبت به افزایش راندمان واحدهای قدیمی تر نیز اقدام کرد .

این روش بازسازی و نوسازی تنها برای واحدهای گازسوز و یا با سوخت مایع امکان پذیر است . این روش بدان جهت قوت گرفت که غالباٌ قسمت حساس واحدهای بخاری یعنی بویلر آنها ، معمولاً پس از مدتی کارکرد نیاز به بازسازی کامل دارد در صورتی که توربین و سایر متعلقات آن با انجام تعمیرات جزیی قابل استفاده مجدد می باشند. بدین ترتیب با تلفیق تکنولوژی قدیمی ( توربین بخار ) که دارای شرایط کار قابل انطباق با شرایط تکنولوژی جدید توربین گاز می باشد ، شرایظ بهره برداری مناسبی از توربین گاز جدید و توربین بخار قدیمی فراهم می آید. به عنوان مثال در صورتی که هدف بازسازی سه واحد بخار ۲۰ مگاواتی باشد ، می توان به جای نوسازی سه بویلر، با نصب یک واحد توربین گاز ۱۲۰ مگاواتی و یک بویلر بدون مشعل ، ضمن افزایش قدرت مجموعه به ۱۸۰ مگاوات ، با جزئی سرمایه گذاری بیشتر راندمان مجموعه را از ۳۰ درصد ، که در صورت کارکرد مستقل هر کدام حاصل می شود ، به بیش از ۴۰ درصد افزایش داد که البته این افزایش ۱۰ درصدی در راندمان هزینه های سوخت را به میزان ۳/۱ کاهش خواهد داد .

مدل مربوط به این طرح در شکل زیر آورده شده است :

دستگاه تهيه گاز با ارزش گرمايي پايين، بسته به نوع فرايند مورد استفاده، در فشارها و دماهاي متعددي عمل مي‌كند. كاركرد بعضي از اين دستگاهها در فشار حداكثر تا Mpa5/3 و دماهاي خروجي ۵۴۰ تا ۱۱۰۰ صورت مي‌گيرد. به طوري كه قبلاً اشاره شد، گاز خروجي بايد جهت تصفيه و پاكسازي خنك شود. در حالت عادي اين خنك شدن، با مقدار زيادي اتلاف انرژي و دفع آن به محيط همراه است. مزيت چرخة تركيبي در اين است كه از فشار زيادي واحد تهية گاز بهره‌گيري مي‌كند و به كمك يك مبادله‌كن گرماي گاز به گاز تا حد زيادي مانع اتلاف انرژي و دفع آن به محيط مي‌شود .

در يك طرح پيشنهادي (۳۳) گازي كه واحد تهية گاز را در نقطة ۱ ودر دماي حدود ۵۴۰ و فشار ۲ مي‌كند، مقداري از گرماي خود را در يك مبادله‌كن گرماي بازيابي از دست مي‌دهد و در نقطة ۲ آن را ترك مي‌كند و سپس در يك مبادله‌كن گرماي خارجي تا دماي پايين‌تر نقطة ۳ به حدي خنك مي‌شد كه دماي آن براي فرايندهاي تصفيه و پاكسازي در فاصلة مراحل ۳ تا ۴ سازگار باشد آنگاه، گاز گرماي دفع شده به مبادله‌كن گرماي بازيابي را بازپس مي‌گيرد و آن را در ۵ ترك ميكند. سپس اين گاز وارد اتاق احتراق توربين گازي مي‌شود و در آنجا با هواي متراكمي كه از كمپرسور مي‌آيد مخلوط مي‌شود و آن را در نقطة ۶ و با دماي حدود ۹۸۰ ترك مي‌كند. بعداً در توربين گاز انبساط مي‌يابد و در نقطة ۷ و با دماي حدود ۵۲۰ از آن خارج مي‌شود. آنگاه گاز وارد يك مولد بخار بازيابي مي‌شود و پس از توليد بخار، مولد را در نقطة ۸ و با دمايي در حدود ۱۲۵ ترك مي‌كند و وارد دودكش مي‌شود .

توربين گاز، يكي از دو مولد برق و كمپرسور را تغذيه مي‌كند. كمپرسور هواي جو را در نقطة ۹ و با دماي حدود ۱۵ دريافت وآن را تا دماي ۳۱۵ متراكم مي‌كند. كمپرسور دو وظيفه بر عهده دارد: اول تأمين هواي احتراق مورد نياز اتاق احتراق در ۱۰، و دوم تأمين هواي مورد نياز واحد تهية گاز در ۱۱ هواي واحد تهية گاز، قبلاً در گرمكن آب تغذيه چرخة بخار تا دماي ۱۲ خنك مي‌شود، سپس فشار آن در يك كمپرسور تقويتي كه با موتور الكتريكي كار مي‌كند تا فشار واحد تهية گاز در ۱۳ افزايش يابد. واحد تهية گاز طوري طرح مي‌شود كه بخار مورد نياز خود را از آب تغذيه در ۱۴ تأمين مي‌كند. زغال در نقطة ۱۵ با مخلوط هوا و بخار وارد واكنش مي‌شود و گاز با ارزش گرمايي پايين را در ۱ توليد مي‌كند 

چرخة بخار نسبتاً استاندارد است. بخار فوق گرم در مولد بخار بازيابي در فشار Mpa2 و دماي ۴۸۰ در نقطة ۱۶ توليد مي‌شود، سپس در توربين بخار انبساط مي‌يابد و توربين بخار مولد دوم را راه‌اندازي مي‌كند، و سرانجام در ۱۷ به چگالنده وارد مي‌شود. مايع در ۱۸ وارد پمپ مي‌شود و پس از خروج از آن در ۱۹ وارد گرمكن آب تغذيه مي‌شود و در آنجا از هواي متراكم واحد تهيه گاز گرما مي‌كند. دراين طرح از بخار زيركش شدة توربين بخار استفاده‌اي به عمل نمي‌آيد، هرچند كه چنين گرمايش آب تغذيه‌اي را مي‌توان به كار برد. آب تغذيه در ۲۰ وارد مولد بخار بازيابي مي‌شود و به اين ترتيب چرخه كامل مي‌شود.

 

 
برای دانلود فایل PDF مقاله کلیک کنید...
 

 

 

 

 

 

 

 

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پشتیبانی قبل از خرید