1- نیروگاه سیکل ترکیبی
سیکل گازی قابلیت بیشتری برای افزایش بازده گرمایی دارد، زیرا دمای متوسطی که تحت آن گرما داده می‌شود بالاتر است. ولی سیکل‌های گازی یک عیب ذاتی دارند:
گاز با دمای خیلی زیاد (معمولا بیشتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) بررسی می‌شود. از توربین گازی خارج می‌شود و امکان بالقوه افزایش بازده گرمایی را از بین می‌برد. درنتیجه بازده گرمایی نیروگاه گازی، به طور کلی نسبتا پایین است. در تغییری که بیشتر مورد قبول است از سیکل گازی به عنوان سیکل فوقانی سیکل قدرت بخاری استفاده می‌شود و به آن سیکل قدرت گازی-بخاری یا فقط سیکل ترکیبی می‌گویند. نوعی سیکل ترکیبی که در آن سیکل گازی (سیکل برایتون) به عنوان سیکل فوقانی سیکل بخار (سیکل رانکین) است بیشتر از هر سیکل ترکیبی دیگری مورد توجه قرار گرفته است. بازده گرمایی این سیکل بیشتر از موقعی است که هر یک از دو سیکل به طور جداگانه کار می‌کنند.
پیشرفت‌های اخیر در زمینه تکنولوژی توربین‌های گازی باعث شده است سیکل ترکیبی گازی بخاری از نظر اقتصادی خیلی مورد توجه قرار گیرد. سیکل ترکیبی باعث می‌شود بدون اینکه هزینه اولیه خیلی افزایش یابد، بازده زیاد شود. درنتیجه بسیاری از نیروگاه‌های بخاری یا گازی موجود در حال تبدیل به نیروگاه‌های با سیکل ترکیبی هستند. بر اثر این تبدیل بازده این نیروگاه‌ها تا بیش از ۴۰ درصد افزایش یافته است.
در این مقاله تاثیر فشار و دمای ورودی توربین و فشار کندانسور بر راندمان كل مطالعه می‌شود. همچنین، تاثیر دمای ورودی به کمپرسور بر راندمان سیکل ترکیبی و سوخت مصرفی و توان تولیدی توربین و کیفیت خروجی از توربین بررسی می‌شود.
2- ترمودینامیک نیروگاه سیکل ترکیبی
سیکل استفاده شده در این مقاله به صورت زیر است:
شکل 1: نیروگاه سیکل ترکیبی همراه با نمودار [2] S-T
هوا با محدوده دمایی ۱۵ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد وارد کمپرسور می‌شود و با نسبت فشار ۱۲ متراکم می‌شود. از کمپرسور خارج شده و پس از بالا رفتن دمای هوا تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد در محفظه احتراق و افت فشار ۳ درصد، وارد توربین گاز (با نسبت فشار ۱۱٫۶۴) می‌شود. هوای خروجی از توربین دوباره به محفظه احتراق می‌رود و به دمای ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. گاز داغ گرمای خود را در بویلر بازیاب به آب می‌دهد و با دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به اتمسفر تخلیه می‌شود. محدوده دمایی و فشاری بخار آب ورودی به توربین بخار به ترتیب ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد و ۳۰(bar) تا ۱۲۰(bar) است. بخار آب بعد از منبسط شدن در توربین بخار خارج شده و به محدوده فشاری ۰۵(bar)/ تا ۵/0(bar) می‌رسد. سیال خروجی از توربین به صورت دوفازی است، به کندانسور رفته و به مایع اشباع تبدیل می‌شود و توسط پمپ به بویلر بازیاب می‌رود و سیکل ادامه می‌یابد. گاز استفاده شده در محفظه احتراق متان با ارزش حرارتی ۵/۵۵ مگاژول بر کیلوگرم است.
۳- معادلات حاکم بر ترمودینامیک نیروگاه سیکل ترکیبی
فرضیات ذیل در مدلسازی مساله در نظر گرفته شده است:
– گرمای ویژه هوا و مخلوط هوا-سوخت به صورت متغیر در نظر گرفته شده است ولی در هر مرحله از روابط ایزنتروپیک استفاده شده است.
– از جرم سوختی که بعد از محفظه احتراق به جرم هوا اضافه می‌شود صرف نظر شده است.
– از اتلافات در بویلر بازیاب صرف نظر می‌شود.
– افت فشار در محفظه احتراق ۳٪ در نظر گرفته شده است.
– از تلفات مکانیکی صرف نظر شده است.
– فرایندها در توربین‌ها و پمپ و بویلر و کندانسور به صورت ایزنتروپیک در نظر گرفته شده‌اند.
– هوا و مخلوط هوا سوخت به عنوان گاز ایده‌آل در نظر گرفته شده‌اند.
روابط ترمودینامیکی به منظور مدلسازی قسمت‌های مختلف سیکل به شرح ذیل می‌باشد:
متان:
هوا:
مخلوط هوا-سوخت:
برای استفاده از رابطه (۴) باید نسبت‌های جرمی هوا و هوا۔ سوخت مشخص باشد که از موازنه واکنش شیمیایی سوخت به دست می‌آید.
۴- نتایج بررسیترمودینامیک نیروگاه سیکل ترکیبی
1-4- تغییرات راندمان بر حسب فشار و دمای ورودی توربین
شکل ۲: نمودار راندمان بر حسب فشار و دمای ورودی توربین با فشار کندانسور متغیر
مشاهده می‌شود که هر چه فشار و دمای ورودی توربین بیشتر شود راندمان كل افزایش می‌یابد. در شکل بالا نمودار پایینی مربوط به فشار کندانسور ۵/0 است. هر چه به سمت بالا می‌رویم فشار کندانسور کم می‌شود و نمودار بالایی مربوط به فشار کندانسور ۰۵/0 می‌باشد. در فشار کندانسور ۰۵/0 بیشترین بازده را داریم.
شكل ۳:نمودار T-S مربوط به افزایش فشار در دمای ثابت
اگر در یک دمای ثابت فشار را افزایش دهیم سطح 22’3’6 به کار خالص اضافه می‌شود و سطح 364’4 از کار خالص کم می‌شود، سطح 22’3’6 به گرمای بویلر (ورودی) اضافه می‌شود و سطح 635’5 از گرمای بویلر کم می‌شود. و سطح 44’55’ از گرمای کندانسور(خروجی) کم می‌شود.
بنابراین راندمان در حالت اول و دوم به صورت ذیل محاسبه می‌شود:
حتی اگر S22‘3‘6 = S635‘5، باز هم راندمان افزایش می‌یابد چون از گرمای بویلر کم می‌شود. تنها در صورتی با افزایش فشار بازده کم می‌شود که مقدار S22‘3‘6 – S635‘5 خیلی کمتر از مقدار S44‘5‘5 باشد.
البته می‌دانیم که در دمای ثابت، با افزایش (کاهش فشار ورودی توربین، کیفیت بخار کم (افزایش) می‌شود. اگر کیفیت کمتر از حد مجاز شود باعث خوردگی پره‌های توربین می‌شود.
شکل ۴:نمودار کیفیت خروجی از توربین بر حسب فشار ورودی به توربین در دمای ثابت ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد
همچنین در یک فشار ثابت، با افزایش (کاهش) دما کیفیت زیاد (کم) می‌شود.
شكل ۵: نمودار دمای ورودی به توربین بر حسب کیفیت در فشار ثابت
دما و فشار ورودی توربین را تا جایی می‌توانیم تغییر بدهیم که کیفیت خروجی از توربین کمتر از ۸۸٪ نشود.
شکل ۶:نمودار T – S مربوط به افزایش دما در فشار ثابت
اگر در یک فشار ثابت دما را افزایش دهیم سطح 33’4’4 به کار خالص اضافه می‌شود، سطح 33’5’5 به گرمای بویلر اضافه می‌شود و سطح 44’55’ به گرمای کندانسور اضافه می‌شود.
در حالت اول و دوم راندمان از فرمول‌های (11) و (12) به دست می‌آید:
چون QH در مخرج است و ضریبش هم منفیست و با فرض اینکه مقدار تغییرات QH از Ql بیشتر است بازده افزایش می‌یابد.
2-4- تغییرات بازده نیروگاه گازی بر حسب دمای ورودی کمپرسور
شكل ۷: نمودار بازده نیروگاه گازی بر حسب دمای ورودی کمپرسور
در این قسمت ابتدا بررسی می‌کنیم که افزایش دمای ورودی کمپرسور چه تاثیری بر روی توان تولیدی و گرمای محفظه احتراق دارد.
الف) طبق رابطه (۱۴) Pv = RT در یک فشار ثابت با افزایش دما، حجم مخصوص زیاد شده و این به این معنیست که در یک حجم ثابت مقدار جرم ورودی به کمپرسور کم می‌شود (طبق رابطه (۱۵)
).
ب) هر چه دمای ورودی به کمپرسور بیشتر شود اختلاف انتالپی خروجی و ورودی کمپرسور بیشتر می‌شود.
قسمت‌های (الف) و (ب) به هم وابسته‌اند و نمی‌توان تاثیر هر کدام را جداگانه بررسی کرد، چون برای به دست آوردن کار کمپرسور باید جرم ورودی را در اختلاف انتالپی ورودی و خروجی کمپرسور را در هم ضرب کرد.
ج) با افزایش دمای ورودی به کمپرسور،دمای خروجی از کمپرسور نیز افزایش می‌یابد و این به این معنیست که برای رسیدن به یک دمای ثابت در خروجی محفظه احتراق (یا ورودی توربین) نیاز به سوخت کمتری هست.
شکل ۸: نمودار سوخت مصرفی بر حسب دمای ورودی به کمپرسور
افزایش دمای ورودی به کمپرسور باعث می‌شود کار توربین گازی کم شود، چون جرم ورودی کم می‌شود.
در اینجا می‌بینیم که افزایش دمای ورودی به کمپرسور باعث کاهش راندمان سیکل گازی می‌شود. یعنی تاثیر قسمت (الف) از دو قسمت (ب) و (ج) بیشتر است.
3-4- تغییرات بازده بر حسب فشار کندانسور
شکل ۹: نمودار بازده بر حسب فشار کندانسور
کم شدن فشار کندانسور به این معنی است که توربین می‌تواند توان بیشتری تولید کند. البته هر چه فشار کندانسور کمتر شود کیفیت خروجی از توربین کاهش می‌یابد که باعث صدمه زدن به پره‌ها می‌شود. کاهش فشار کندانسور باعث می‌شود دمای بخار آب و دمایی که تحت آن گرما دفع می‌شود، کاهش یابد و گرمای ورودی نیز افزایش یابد البته این افزایش خیلی کم است. همچنین این کاهش فشار کار خالص سیکل را افزایش می‌دهد و گرمای خروجی را تا حدودی کمتر می‌کند و طبق فرمول (۱۱) باعث افزایش راندمان می‌شود.
شکل ۱۰:نمودار T – S مربوط به کاهش فشار کندانسور
