1- توربین گاز

استفاده از توربین‌های گازی جهت تولید برق در بسیاری از کشورهای جهان رایج می‌باشد. در گذشته تنها به منظور تامین بار مورد نیاز شبکه در ساعات پیک مورد استفاده قرار می‌گرفتند. چرا که زمان راه‌اندازی آنها بسیار کوتاه بوده و این مشخصه قابلیت ورود سریع به مدار را برای این واحدها فراهم می‌نماید. اما امروزه با توجه به وجود گاز طبیعی با قیمت نسبتا پایین بسیاری از کشورها در سراسر دنیا از واحدهای گازی در مقیاس بزرگ و به منظور تامین بار پایه در شبکه استفاده می‌نمایند و از واحدهای کوچک‌تر در مواقع اضطرار و نیز تامین بار پیک بهره می‌گیرند. یکی از معایب اصلی این توربین‌ها کاهش توان و راندمان آن در اثر افزایش دمای محیط می‌باشد. به عبارتی دیگر، در حالی که بیشترین تقاضا برای مصرف برق در فصول گرم اتفاق می‌افتد، در همین زمان واحدهای گازی با افت شدید توان و کمپرسور راندمان مواجه خواهند بود. با توجه به پیش‌بینی آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در مورد افزایش تقاضای مصرف انرژی جهان، بطور متوسط به میزان ٪۷/۱ در سال، از سال ۲۰۰۰ تا سال ۲۰۳۰ و اینکه هنوز سوخت‌های فسیلی به عنوان منبع عمده تأمین انرژی جهان به شمار می‌روند و نیز اینکه تقاضا برای الکتریسیته به میزان ٪۴/۲ در سال رشد می‌کند، حرکت به سمت استفاده از فن‌آوری‌های نوین در ساخت نیروگاه‌های جدید با راندمان و توان خروجی بالا و انتشار آلاینده پایین و همچنین هزینه سرمایه‌گذاری پایین می‌تواند در کاهش روند مصرف انرژی و پاسخگویی مناسب به نیازهای انرژی جهان مؤثر باشد. در این میان توجه به تکنولوژی‌های مورد استفاده جهت بهبود راندمان سیکل نیروگاه‌های توربین گاز به عنوان یکی از متداول‌ترین نیروگاه‌های موجود در سطح جهان، می‌تواند به افزایش راندمان، تولید، کاهش سوخت مصرفی و انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی کمک قابل توجهی کند. اما با توجه به تنوع و گستردگی مشخصات آب و هوایی، اقلیمی و منطقه‌ای که توربین‌های گازی در آن‌ها احداث می‌گردند، همواره یک روش خاص نمی‌تواند پاسخگوی مناسبی از لحاظ فنی، اقتصادی و اقلیمی برای تمام توربین‌های گازی باشد. بنابراین بایستی روش‌های مختلف بررسی گردد تا بتوان روش بهینه‌ای برای آن برگزید.

۲- معرفی انواع روش های بهینه سازی توربین گازی

استفاده گسترده از سیکل تولید توان توربین گاز در واحدهای نیروگاهی و مجتمع‌های بزرگ صنعتی، جهت تولید الکتریسیته، همواره لزوم توجه به پارامترهای موثری همچون راندمان، کار خالص تولیدی توسط سیکل و … را در طراحی و نحوه بکارگیری از این سیکل‌ها مشخص می‌کند. از اینروست که استفاده از سیکل‌های پیشرفته توربین گاز به علت دستیابی به راندمان‌های بالاتر، به عنوان اولویتی در طرح‌های نیروگاهی همواره مورد توجه قرار دارد. ابتدا به معرفی اجمالی سیکل‌های مکمل مورد بحث پرداخته و سپس نتایج تحقیقات صورت گرفته را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

شکل ۱- چارت کلی معرفی سیکل‌های مکمل توربین گاز-نگارنده

• روش‌های عملی ازدیاد توان به قسمت‌های اصلی تقسیم می‌شوند:
• روش‌های تبخیری: سیستم‌های مدیا و فاگ
• سیستم‌های تبریدی خنک‌سازی هوای ورودی: استفاده از سیستم‌های جذبی یا خنک‌کاری مکانیکی (تراکمی)
• سیستم‌های خنک‌کاری ترکیبی تبخیری و تبریدی: استفاده از سرمایش تبخیری با کمک سیستم چیلر جهت دستیابی به پایین‌ترین دمای هوای ورودی
• سیستم ذخیره انرژی گرمایی: سیستم‌هایی با استفاده متناوب هستند به طوریکه برودت تولید شده در ساعات غیر پیک در قالب تولید یخ، ذخیره ‌شده و در زمان‌ها و ساعت‌های گرم روز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• سیستم تزریق بخار به خروجی کمپرسور یا محفظه احتراق سیستم‌های تراکم مرطوب (پاشش آب در کمپرسور)

2-1- انواع روش‌های خنک‌کاری هوای ورودی به کمپرسور خنک کردن هوای ورودی به کمپرسور به دلیل اینکه یک فرایند مستقل می‌باشد، بیشتر در توربین‌های گازی در حال بهره‌برداری مورد توجه قرار می‌گیرد. این روش بدون هیچ‌گونه تغییر یا اصلاحی در اجزای اصلی واحد توربین گازی و با رعایت برخی نکات فنی بدون هیچ‌گونه اثرات منفی قابل اجرا است. محل نصب تجهیزات مربوط به آن تقریبا مستقل و جدا از اجزای اصلی سیکل توربین گاز می‌باشد و در کل، طرح و اجرای ساده‌تری دارد. بررسی‌ها نشان می‌دهد که تقریبا به ازای هر ۱٫۵ درجه سانتی‌گراد خنک کردن هوای ورودی، قدرت خروجی توربین بین ۰٫۷ تا ۱ درصد افزایش می‌یابد. بنابراین اتخاذ روش‌هایی جهت سرمایش هوای ورودی به کمپرسور این توربین‌ها و بازیابی توان از دست رفته آن‌ها ضروری می‌باشد. ۲-1-۱- روش های بهینه سازی توربین گازی : خنک‌کاری هوای ورودی کمپرسور با سرمایش تبخیری با مدیا با توجه به اینکه دمای هوای محیط و به تبع آن دمای سیال ورودی محل نصب توربین گاز نقش بسزایی در راندمان کلی و میزان توان تولیدی آن دارد، از این‌رو کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور از مهم‌ترین کارهایی است که نقش مهمی در افزایش راندمان کلی سیکل دارد. هزینه نهایی (تمام شده) پایین و هزینه‌های نصب و بهره‌برداری پایین، یک سناریوی جذاب برای توربین‌های گازی به حساب می‌آید. این سیستم شامل یک اسپری آبی است که به روی بلوک‌های میانی ساخته شده از مواد فیبری موج‌دار، آب را اسپری می‌کند. جریان هوا از میان این بلوک‌های هوایی عبور کرده و باعث تبخیر آب می‌گردد. آب تبخیر شده دارای گرمای نهان تبخیر ۱۱۱۷ کیلوژول در ۱۵ درجه سانتی‌گراد می‌باشد. این نتایج در کاهش دمای هوای ورودی کمپرسور از هوای محیط روی می‌دهد. این تکنیک در نواحی خشک و در رطوبت کم مؤثر است. کار لازم جهت به حرکت درآوردن توربین بوسیله کاهش دمای ورودی کمپرسور کاهش یافته است، بنابراین باعث افزایش کار خروجی توربین خواهد شد.

شكل ۲ نمودار توان تولیدی توربین در مقابل دمای محیط

شکل ۳- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سرمایش تبخیری

در شکل ۳ شماتیکی از سرمایش تبخیری توربین گاز و تأثیر در سیکل برایتون نشان داده شده است. نمودار سایکومتریک نشان می‌دهد که سرمایش به طور خاص در شرایط رطوبتی بالا محدود می‌شود. از دیگر انواع روش‌های خنک‌کاری، تزریق مستقیم مه می‌باشد. آب توسط نازل‌های با فشار بالا (۲۰۰-۶۷ بار) به صورت مه (بخار سرد) در می‌آید. هوا در ورودی کمپرسور به رطوبت ۱۰۰ درصد می‌رسد و کمترین دمایی که در خنک‌سازی می‌توان به آن دست ‌یافت دمای حباب تر می‌باشد. تزریق مستقيم مه در حالت فشار بالا و خنک‌سازی ورودی کمپرسور، در نهایت سبب افزایش توان خروجی سیستم خواهد شد. ۲-۱-۲- روش های بهینه سازی توربین گازی : خنک‌کاری هوای ورودی کمپرسور توسط چیلر مکانیکی و جذبی این سیستم از سیستم سرمایش تبخیری که قبلاً مطرح گردید، بسیار مؤثرتر است بطوری که می‌تواند دماها را حدود ۳۰- ۲۵ درجه سانتی‌گراد پایین بیاورد. خنک‌کاری هوای ورودی توسط چیلر به دو روش تراکمی (خنک‌سازی مکانیکی) و جذبی صورت می‌پذیرد. در یک سیستم سردسازی مکانیکی بخار سرد توسط یکی از انواع کمپرسورهای سانتریفیوژ، اسکرو یا رفت و برگشتی تولید می‌گردد. بر اساس نمودار سایکومتریک استفاده از سیستم مکانیکی برای شرایط آب و هوایی گرم و مرطوب بسیار مناسب است.

شکل ۴- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سردسازی مکانیکی جهت کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور

سیال عامل در سیستم‌های تراکمی از خانواده کلروفلوئوروکربن‌ها (CFC) و در سیستم‌های جذبی از محلول لیتیم-بروماید (Li-Br) به عنوان سیال عامل و آب به عنوان جاذب استفاده می‌شود. در شکل ۵ طرحی از یک سیستم خنک‌کاری جذبی به همراه نمودار سایکومتریک آن وجود دارد. گرمای مورد نیاز برای چیلر جذبی توسط گاز، بخار یا حرارت اگزوز توربین گاز تأمین می‌گردد. هزینه سیستم جذبی در مقایسه با سیستم گرمایش تبخیری خیلی بالاست، با این همه سیستم‌های سردسازی (جذبی، تراکمی) در نواحی گرم و مرطوب به علت میزان بالای رطوبت بسیار مؤثرترند.

شکل ۵- شماتیک سیکل مکمل جذبی جهت خنک‌کاری هوای ورودی

۲-۱-۳- روش های بهینه سازی توربین گازی : سیستم‌های ترکیبی تبخیری–جذبی جهت کاهش دمای هوای ورودی کمپرسور استفاده از سیستم‌های هیبریدی متشکل از دو تکنولوژی فوق، حسب شرایط ویژه پروژه از قبیل موقعیت مکانی، شرایط آب و هوایی، نوع موتور و فاکتورهای اقتصادی مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این نمونه ضمن استفاده از حرارت اتلافی اگزوز در سیکل جذبی، از سیستم‌های تبخیری نظیر سیستم مدیا یا فاگ نیز جهت کاهش دمای هوای ورودی کمپرسور و در نتیجه افزایش دبی جرمی هوای ورودی و کاهش کار مورد نیاز کمپرسور بهره گرفته شده است. در شکل زیر علاوه بر نمایش سیکل بصورت شماتیک عملکرد این سیستم بر روی دیاگرام سایکومتریک نمایش داده شده است.

شکل ۶- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سیستم ترکیبی خنک تبخیری و سردسازی جذبی

2- روش های بهینه سازی توربین گازی : سیکل مکمل بر پایه سیستم ذخیره‌ساز حرارت در ورودی این سیستم هوای ورودی توربین را حدود ۲۵-۱۷ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. در این روش، واحد سرمایش با یک سیستم ذخیره یخ جایگزین می‌شود که حدود ۱۶ ساعت در روز برای تولید یخ صرف می‌شود و برای خنک‌سازی هوا در زمان عملیاتی حدود ۸ ساعت در روز کاربرد دارد. در این حالت، سیستم سرمایش برای خنک‌سازی هوای ورودی خیلی کوچک‌تر از سیستمی است که ۲۴ ساعته برای خنک‌سازی هوای ورودی کار می‌کند.

شكل ۷- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سیستم ذخیره‌ساز حرارت در ورودی سیستم

٣- روش های بهینه سازی توربین گازی : تزریق هوای فشرده، بخار یا آب 3-1- فلش آب به قیمت میانی کمپرسور در این سیستم آب به مراحل میانی کمپرسور تزریق می‌گردد تا هوا را خنک کند به طوریکه تراکم در فرآیندی ایزوترمال صورت می‌پذیرد. آب تزریق شده عموماً به شیوه مکانیکی اتمیزه گردیده و به نحوه بسیار مناسبی بر روی هوا تزریق می‌گردد. آب وقتی با هوای با دما و فشار بالا برخورد می‌کند به سرعت خنک می‌شود. زمانی که آب خنک شد، گرمای نهان تبخیری معادل ۱۱۱۷ کیلوژول برای آن صرف گردیده است. این مقدار انرژی در دما و فشار بالا مصرف شده است که نتیجه آن کاهش محسوس دمای هوای عبوری از داخل کمپرسور و انتقال آن به مرحله بعدی است.

شکل ۸-شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سیستم خنک‌کن میانی کمپرسور

۳-۲- تزریق هوای متراکم گرم و مرطوب هوای متراکم شده از یک کمپرسور جداگانه، رطوبت‌زنی شده و رطوبت آن تا حدود %60 رسانده می‌شود. سپس در یک HRSG گرم شده و جهت تزریق به داخل محفظه احتراق آماده می‌شود.

شکل ۹- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سیستم گرم و مرطوب ساختن هوای تزریق شده به سیستم جهت تزریق به محفظه احتراق

شکل 9 شماتیکی از تزریق هوای فشرده گرم و مرطوب در یک واحد نیروگاهی را نمایش می‌دهد.

۳-۳- تزریق آب یا بخار در خروجی کمپرسور و یا محفظه احتراق و حالت ترکیبی با سایر روش‌ها مقدار بخار تزریق شده در این روش‌ها از ٪۱۵- ۵ متغیر است. الف – تزریق بخار به صورت مستقیم در محفظه احتراق

شکل ۱۰- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سیستم تزریق بخار به صورت مستقیم در محفظه احتراق

ب-تزریق بخار به خروجی کمپرسور و داخل محفظه احتراق

شکل 11- نمای شماتیک از سیکل مکمل تزریق بخار در خروجی کمپرسور و به داخل محفظه احتراق

ج- سیستم ترکیبی تزریق بخار و سرمایش تبخیری در سیستم شکل زیر توان سیکل در سایه خنک‌کاری هوا افزایش یافته و در نهایت با تزریق بخار این افزایش در توان بیشتر نیز خواهد شد.

شکل ۱۲- نمای شماتیک از سیکل مکمل بر پایه سیستم ترکیبی تزریق بخار و سرمایش تبخیری توربین گازی

۴- مقایسه کلی سیکل‌های پیشرفته توربین گاز و روش های بهینه سازی توربین گازی

در جدول و نمودار شکل‌های زیر انواع سیکل‌های پیشرفته از نظر پارامترهای حرارتی و اقتصادی و همچنین تاثیر آنها بر تولید و راندمان مورد ارزیابی واقع شده است. در جدول زیر مبنای مقایسه یک واحد گازی با ظرفیت ۱۱۰ مگاوات در دمای محیط ۳۲ درجه سانتی‌گراد، با راندمان 92/32 و با نرخ حرارتی ۱۰۹۳۵ کیلوژول به ازای هر کیلووات ساعت بوده است.

جدول 1 – مقایسه تکنیک‌های مختلف بهبود فرآیند سیکل توربین گاز

نمودار ۱- نمودار مقایسه‌ای بین انواع سیکل‌های مکمل خنک‌کاری بر اساس درصد تغییر در توان و راندمان و هزینه بر اساس KW/$

۵- مروری بر مقالات مرتبط با روش های بهینه سازی توربین گازی

در این قسمت با بررسی مقالات مرتبط با سیکل‌های پیشرفته نتایج حاصل از این تحقیقات مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقالات از جنبه‌های مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌اند الف- هدف در هر تحقیقی رسیدن به یک هدف مورد نظر بوده است که اهداف مورد نظر در مقالات مختلف را در یکی از موارد زیر دسته‌بندی نموده‌ایم: (1) بررسی پارامتریک، (۲) آنالیز ساختاری، (۳) بهینه‌سازی، (۴) آنالیز اقتصادی ب- مبنای تحقیق تحقیق‌های صورت گرفته در زمینه توربین گاز بعضی بر مبنای روابط ترمودینامیکی و معادلات انتقال حرارت و جرم و با در نظر گرفتن برخی فرضیات منطقی و بصورت تئوری بوده است. اما در بسیاری از موارد بررسی بر روی یک واحد گازی مشخص بر مبنای تجربه و آزمایش صورت پذیرفته است. ج- نوع واحد گازی مورد بررسی واحد گازی مورد بررسی یک سیکل ساده توربین گاز بوده و یا یک واحد گازی که سیکل پایه یک سیکل ترکیبی است می‌باشد. د- استفاده از نرم‌افزار در برخی از تحقیقات نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی، محاسباتی و یا شبیه‌ساز استفاده شده و در بعضی تنها بر مبنای محاسبات دستی بوده است. ه- شرایط بررسی بررسی واحدهای گازی می‌تواند در شرایط دائم و یا گذرا انجام پذیرد که البته بررسی در شرایط گذرا از پیچیدگی خاصی برخوردار است. و- بازیافت حرارت جهت استفاده در سیکل پیشرفته با توجه به اینکه بخش زیادی از انرژی مصرفی توربین‌های گازی از طریق گاز خروجی اگزوز اتلاف می‌گردد، در برخی از سیکل‌های مکمل مانند سیستم تزریق بخار به محفظه احتراق حرارت اتلافی مورد بازیافت قرار می‌گیرد. ز- ترکیب سیکل‌های پیشرفته به منظور افزایش کارایی سیکل‌های ارتقاء عملکرد توربین‌های گازی می‌توان دو یا چند سیکل پیشرفته را بسته به شرایط واحد مورد بررسی، تلفيق نمود که در مقالات مورد بررسی نمونه‌هایی از آنها وجود دارد. در جدول شماره ۲ به دسته‌بندی موضوعی مقالات مورد بررسی با توجه به جنبه‌های اخیرالذکر پرداخته و سپس در جدول شماره ۳ ضمن اشاره به توان و راندمان واحدهای مورد بررسی، پارامترهای محیطی نظیر دما و رطوبت نسبی نیز ذکر شده است. در ادامه ضمن مشخص نمودن سیکل پیشرفته مدنظر، میزان تغییر در پارامتر موثر و تاثیر آن بر راندمان و توان تولیدی درج شده است. لازم بذکر است برخی از پارامترهای فوق‌الذکر در برخی مقالات مطرح نشده‌اند.

جدول شماره 2- دسته‌بندی موضوعی مقالات بررسی شده-نگارنده

جدول 3- دسته‌بندی نتایج مقالات مورد بررسی از نظر تاثیر سیکل پیشرفته

موضوع تحقیق-نگارنده

۶- بحث و نتیجه‌گیری درباره روش های بهینه سازی توربین گازی

بررسی مقالات فوق نتایج قابل تاملی را دربر دارد که در اجرای سیکل‌های پیشرفته باید به آن توجه نمود. نتایج نشان می‌دهند که این سیکل‌های مکمل در حدود ۲۱- ۳ درصد در افزایش توان تولیدی و ۲۴-۴/۰ درصد در افزایش راندمان سیکل توربین گاز تأثیر دارند. خنک‌کاری هوای ورودی با استفاده از سیکل خنک‌کاری تبخیری در شرایط آب و هوایی گرم و خشک گزینه بسیار مناسبی برای افزایش راندمان می‌باشد در حالی که با توجه به قیمت تمام شده و هزینه‌های آن در مناطق با رطوبت زیاد چندان مفید نیست. به کارگیری چیلر جذبی به منظور بازیافت حرارت خروجی و استفاده از آن برای خنک‌کاری هوای ورودی کمپرسور مؤثر است اما این نکته حائز اهمیت است که استفاده از چیلر علیرغم سرمایه‌گذاری اولیه بالا و قابلیت کاهش دمای قابل ملاحظه، هر چند افزایش راندمان را به دنبال دارد اما معمولا افزایش تولید را دربر نداشته و در برخی موارد حتی کاهش تولید خالص به واسطه برق مصرفی چیلر را نیز نشان می‌دهد. استفاده از سیستم‌های ترکیبی خنک‌کاری هوای ورودی و تزریق بخار نتایج قابل ملاحظه‌ای دربر داشته است که در نمونه‌ای از موارد مورد بررسی میزان MW۳۱ افزایش تولید و ۶٪ افزایش راندمان را نشان می‌دهد. استفاده از سیستم تراکم مرطوب در کمپرسور هر چند ممکن است به واسطه جنس پره‌های کمپرسور و پوشش نامناسب آن‌ها قابل اجرا در هر واحدی نباشد اما در واحدهای گازی متداول دهه اخیر ایران (V94.2) حدود ۱۴٪ افزایش تولید و بسته به میزان دمای هوای محیط بین ۰٫۳ تا ۱٫۳ درصد افزایش راندمان را نشان می‌دهد. بنا بر نتایج بدست آمده در صورت امکان، استفاده از سیستم ترکیبی تراکم مرطوب و تزریق بخار اولویت اول و پس از آن سیستم ترکیبی سرمایش هوای ورودی و تزریق بخار توصیه می‌شود که سیستم سرمایش ورودی بسته به میزان رطوبت محیط می‌تواند تبخیری یا تبریدی می‌باشد. منبع: سید مهدي اعرابی، محمد امینی پور، حسین قدمیان، میلاد خودسیانی “بررسی سیستمهاي ارتقاء عملکرد انرژي توربین هاي گازي مقاله مروري” دومین کنفرانس ملی انجمن انرژی ایران