تاثیر سیستم مدیا در نیروگاه سیکل ترکیبی

توربین­های گاز ماشین­هایی هستند که توان و راندمان آن­ها نسبت به دمای هوای محیط بسیار تاثیرپذیر می­باشد، بدین معنا که با افزایش دمای هوای محیط (دمای هوای ورودی به کمپرسور) توان تولیدی و راندمان دچار کاهش می­شود. علت چنین رفتاری آن است که کمپرسور برای متراکم کردن هوای گرم­تر توان بیشتری مصرف می­کند، بنابراین سهم بیشتری از توان تولیدی توربین را به خود اختصاص داده و نتیجتاً توان باقیمانده که صرف گرداندن ژنراتور می­شود کاهش می­یابد. معمولا به ازای هر یک درجه سانتیگراد افزایش در دمای محیط، توان خروجی توربین مابین ۰٫۵ تا ۰٫۹ درصد کاهش می­یابد(2،1).

خنک­سازی هوای ورودی به توربین گاز، یک روش اثبات شده جهت بازیابی توان از دست رفته می­باشد که روی بسیاری از توربین­های گاز در نقاط مختلف جهان نصب شده است. انواع روش­های خنک­سازی هوای ورودی به توربین­های گاز، توسط ابراهیم و همکارانش (۳) مورد بررسی قرار گرفته است

به طور کلی روش­های خنک­سازی هوای ورودی به توربین­های گاز را می­توان به پنج گروه کولر تبخیری، سرمایش تراکمی مستقیم، سرمایش تراکمی غیر مستقیم، سرمایش تراکمی با ذخیره­سازی سرما و سیستم سرمایش جذبی تقسیم­بندی کرد (۴).

حسینی و همکاران (۵) عملکرد سیستم خنک­کن مدیا نصب شده روی واحدهای سیکل ترکیبی نیروگاه فارس را مورد مدل­سازی و بررسی قرار داده­اند. در مدل ارائه شده، پارامترهای مختلف طراحی از قبیل سرعت هوای ورودی، فرم هندسی و ابعاد و عمق پدهای مدیا مد نظر قرار گرفته­اند.

کلپ و همکاران (۶)، اثرات انواع سیستم­های سرمایش و سوپر شارژینگ هوای ورودی را بر روی یک توربین گاز ۴۰ مگاواتی مورد بررسی قرار داده­اند. نتیجه بررسی­های آن­ها حاکی از آن است که کاهش دادن دمای هوای ورودی به میزان C°28 توان تولید را به میزان ۳۰٪ افزایش می­دهد.

در نیروگاه­های سیکل ترکیبی، دود خروجی از توربین­های گاز وارد بویلرهای بازیاب شده و جهت تولید بخار مورد استفاده قرار می­گیرد. بخار تولیدی می­تواند صرف تولید برق در توربین بخار و یا کاربردهای گرمایشی یا فرایندی شود. با توجه به اینکه دمای هوای ورودی به کمپرسور توربین گاز بر روی دبی و دمای دود خروجی از توربین تاثیرگذار است، سیستم خنک­کن هوای ورودی، علاوه بر اثر مستقیمی که بر روی توربین گاز دارد، به صورت غیر مستقیم بر عملکرد بویلر و میزان بخار تولیدی نیز تاثیرگذار خواهد بود که نتیجه نهایی آن افزایش توان تولیدی بخش بخار سیکل خواهد بود.

براگاوا و همکاران (۷)، اثرات سیستم خنک­کن مه پاش بر روی چند نوع توربین گاز بلوک سیکل ترکیبی را مورد مطالعه قرار داده­اند. ذبیحیان و شریفی (۸) اثرات سیستم خنک هوای ورودی بر بویلر بازیاب تک فشاره را مورد بررسی و مدلسازی قرار داده­اند. نتایج تحقیق آن­ها حاکی از آن است که سیستم خنک­کن هوای ورودی میزان تولید بخار بویلر را افزایش خواهد داد.

حیدری و صائن [۹] اثرات سیستم خنک­کن تبخیری مدیا بر دفع حرارت و عملکرد سیستم خنک­کن یک نیروگاه سیکل ترکیبی را شبیه­سازی و بررسی نموده­اند.

در این مقاله تاثیر سیستم خنک­کن مدیای متحرک نصب شده روی واحدهای گازی ۱ و ۲ یک نیروگاه سیکل ترکیبی بر بخش­های مختلف بویلر بازیاب و عملکرد بلوک سیکل ترکیبی مورد بررسی قرار گرفته است.

برای این منظور تست عملکرد در سه حالت کاری ذیل بر روی بلوک سیکل ترکیبی صورت گرفته است.

• سیتم مدیا خاموش – داکت برنر خاموش
• سیستم مدیا روشن – داکت برنر خاموش
• سیستم مدیا روشن – داکت برنر روشن

اثرات سرمایش هوای ورودی بر عملکرد توربین گاز

راندمان یک توربین گاز تابعی از دمای هوای ورودی به کمپرسور (T1)، دمای هوای ورودی به توربین (T3)، نسبت فشار و راندمان توربین کمپرسور می­باشد:

در معادله فوق :

سیستم خنک­کن هوای ورودی باعث می­شود که دمای هوای ورودی کاهش و نسبت فشار کمپرسور افزایش یابد. بر آیند اثرات فوق افزایش راندمان توربین گاز می­باشد.

کاهش دمای ناشی از سیستم خنک تبخیری تابعی از راندمان خنک­کنندگی سیستم می­باشد که عبارت است از:

در معادله فوق Tout، Tin و Twb به ترتیب دمای هوای ورودی و خروجی سیستم مدیا و دمای مرطوب هوای محیط می­باشند.

اثرات سرمایش هوای ورودی بر عملکرد بویلر بازیاب

بویلر بازیاب نیروگاه سیکل ترکیبی   از نوع دو فشاره و مجهز به داکت برنر می­باشند. محل نصب داکت برنر بالادست سوپرهیتر HP می­باشد. شرایط بخار HP و LP در ورود به توربین بخار مطابق جدول (۱) می­باشد:

جدول 1-  فشار دمای ورودی به توربین بخار در نقطه طراحی

حدود ۹۷٪ از توان تولیدی توربین بخار، بوسیله بخار HP و ۳٪ باقیمانده به وسیله بخار LP تولید می­شود.

در جدول (۲) مقدار پارامترهای کلید مسیر دود بویلر واحد ۱ در سه حالت کاری قابل مشاهده می­باشد. لازم به ذکر است که مقادیر ثبت شده برای پارامترهای کلید بویلر واحد ۲ از مشابهت زیادی با واحد ۱ برخوردار بوده و جهت رعایت اختصار از ذکر آن­ها خودداری می­شود. در جدول ۳ نیز پارامترهای کلیدی مسیر آب و بخار بویلر واحد ۱ مشاهده می­شود.

جدول ۲- پارامترهای کلیدی مسیر دود بویلر واحد ۱

که دمای دود نقاط بالادستی کاهش و نقاط پایین دستی افزایش یابد. اما اثر داکت برتر کاملا برعکس حالت فوق می­باشد.

سوپرهیتر LP

با فعال شدن سیستم مدیا دمای دود ورودی به سوپرهیتر LP از  به  می­رسد. بنابراین بر خلاف سوپرهیتر HP که با فعال شدن سیستم مدیا با افزایش دبی و کاهش دمای دود مواجه می­شد، در ورودی سوپرهیتر LP دما و دبی دود، هر دو افزایش می­یابند و در نتیجه دبی بخار LP از 9.9kg/s به 10.9kg/s افزایش می­یابد. با روشن شدن داکت برتر دمای دود ورودی و دبی بخار خروجی به سوپرهیتر LP مجددا کاهش یافته و به ترتیب به  و  می­رسد.

هوازدا

با فعال شدن سیستم مدیا، دمای دود ورودی به هوازدا از  به   افزایش می­یابد. با توجه به افزایش یافتن همزمان دبی دود، نتیجه حاصله افزایش یافتن دمای آب خروجی از هوازدا از  به  و افزایش بافتن دبی از 61.6kg/s به 63.9kg/s می­باشد. با روشن شدن داکت برنر دمای دود ورودی به هوازا مجددا کاهش یافته و به  می­رسد. دمای آب خروجی از هوازدا کاهش یافته و به  می­رسد. اما دبی آب خروجی کماکان به روند افزایشی خود ادامه داده و به 66.8kg/s می­رسد، علت تبعیت نکردن دبی از روند دما آن است که دبی آب گذرنده از هوازدا تابع مقدار بخار تولیدی در اواپراتورهای LP و HP می­باشد، و با توجه به روند افزایشی تولید بخار، دبی آب خروجی از هوازدا نیز مستقل از دمای خروجی افزایش می­یابد.

پیش­گرمکن

همانطور که در جدول (۵) مشاهده می­شود دمای دود ورودی، دود خروجی و آب خروجی با روشن شدن سیستم مدیا افزایش و با روشن شدن داکت برنر کاهش می­یابند. اما دمای آب ورودی به صورت مداوم افزایش می­یابد که علت آن محدودیت برج خنک­کن در دفع حرارت محیط و افزایش فشار کندانسور و دمای آب ورودی به بویلر می­باشد.

جدول ۵- دما و دبی نقاط ورودی و خروجی گرمکن

دبی آب پیش گرمکن نیز به صورت مداوم افزایش یافته است که علت آن افزایش تولید بخار در اواپراتورهای HP و LP و متعاقب آن افزایش دبی آب ورودی می­باشد.

محاسبه دبی دود

معمولا برای محاسبه دبی دود خروجی از توربین گاز، از منحنی­های تصحیح (Correction curves) استفاده می­شود. اما دبی دود خروجی ار توربین را با استفاده از بالانس حرارتی پیش گرمکن نیز می­توان محاسبه نمود. برای این منظور کافیست ظرفیت گرمایی دود براساس ترکیبات موجود در آن میانگین دمای ورودی و خروجی پیش گرمکن محاسبه شده و دبی دود براساس بالانس حرارتی محاسبه شود.

جدول 6- تغييرات دبی دود خروجی از توربین گاز

همانطور که در جدول فوق مشاهده می­شود، سیستم خنک­کن مدیا دبی دود خروجی از توربین گاز را افزایش می­دهد. اما روشن شدن داکت برنر دبی دود را اندکی کاهش می­دهد که علت آن را افزایش فشار خروجی توربین گاز در اثر فرایند احتراق داکت برنر می­باشد.

بررسی احتمال خوردگی اسیدی در پیش گرمکن

یکی از مهم­ترین مواردی که می­بایست در زمان بهره­برداری از واحدهای سیکل ترکیبی به آن توجه شود، جلوگیری از بروز خوردگی اسیدی در پیش­گرمکن می­باشد. به همین منظور می­بایست از کاهش یافتن دمای دود خروجی به زیر نقطه شبنم آب و اسید سوفوریک (در صورت وجود گوگرد در سوخت) جلوگیری شود.

از آنجا که از سیستم مدیا تنها در ماه­های گرم سال بهره­برداری شود و در این ماه­ها از گاز طبیعی (که فاقد گوگرد است) به عنوان سوخت واحدها استفاده می­شود، بحث خوردگی ناشی از اسید سولفوریک منتفی می­باشد و نیازی به تخمین نقطه شبنم اسید سولفوریک نمی­باشد.

اما با توجه به افزایش یافتن محتوای رطوبت دود، لازم است نقطه شبنم آب به دقت محاسبه شود. چرا که در صورت تقطیر آب روی سطوح سرد پیش گرمکن، طی واکنش با دی اکسید کربن موجود در محصولات احتراق، اسید کربنیک تشکیل شده و منجر به خوردگی خواهد شد.

در جدول ۷ ترکیب دود خروجی از داکت برتر قابل مشاهده می­باشد. با توجه به اینکه محتوای رطوبت موجود در دود در حالت خاموش بودن و روشن بودن سیستم مدیا، به ترتیب 0.04254kg/s به 0.05070kg/s می­باشد، با مراجعه به نمودار سایکرومتریک، دمای نقطه شبنم به ترتیب برابر با  و  به دست می­آید. به عبارت دیگر در اثر افزایش میزان رطوبت موجود در هوا، دمای نقطه شبنم حدود سه درجه افزایش یافته است. سردترین نقطه در مسیر دود که احتمال تقطیر رطوبت و تشکیل اسید کربنیک و در نتیجه خوردگی فلز وجود دارد، سطوح حرارتی پیش گرمکن می­باشد. براساس داده­های موجود از تست عملکرد، دمای فلز پیش­گرمکن در حالات خاموش و روشن بودن سیستم مدیا به ترتیب برابر با   و  می­باشد که بسیار بالاتر از دمای نقطه شبنم بوده و ریسک خوردگی منتفی می­باشد. ای در حالی است که دمای آب برگشتی از کندانسور نیز به ترتیب  و  است و از آنجا که دمای فلز همواره ما بين دمای دود و سیال داخل لوله است، حتی در نزدیکی هدر ورودی آب به پیش گرمکن نیز، خوردگی ناشی از تقطير آب غیرممکن است.

جدول ۷- ترکیبات موجود در دود خروجی (بعد از داکت برنر)

کندانسور

همانطور که در جدول (۱) مشاهده می­شود، با فعال شدن سیستم مدیا فشار کندانسور از 16.3mbarg به 165.3mbarg می­رسد. با روشن شدن داکت برنر فشار کندانسور باز هم افزایش یافته و 180.8mbarg می­رسد.

علت افزایش فشار کندنسور آن است که در اثر عملکرد سیستم مدیا و داکت برنر، تولید بخار و به تبع آن توان تولیدی توربین بخار افزایش می­یابد. با توجه به اینکه در هیچ یک از سه تست انجام شده و از پیک کولرها استفاده نشده است، تنها مکانیزم موجود جهت افزایش انتقال حرارت، افزایش اختلاف دمای آب و هوا در برج هلر می­باشد و با توجه به ثابت بودن دمای هوای محیط، دمای آب خنک­کن افزایش خواهد یافت. از آنجا که در کندانسور شرایط اشباع حاکم است، با افزایش دمای آب خنک­کن، فشار کندانسور نیز افزایش خواهد یافت.

تاثیر سیستم مدیا بر توان و راندمان واحدهای گازی و بلوک سیکل ترکیبی

همانطور که در شکل (۱) مشاهده می­شود، به مدار آوردن سیستم مدیا باعث می­شود که توان توربین­های گاز واحدهای ۱ و ۲ به ترتیب ۱۳ و ۱۱ مگاوات افزایش یابد و توربین بخار نیز 2/1 مگاوات افزایش توان خواهد داشت. هنگامی که همزمان با فعال بودن سیستم مدیا، داکت برنرها نیز با ظرفیت کمتر از میزان نامی روشن شوند، توان توربین بخار 5/6 مگاوات دیگر افزایش خواهد یافت. بنابراین واضح است که در اثر عملکرد سیستم مدیا، توان بلوک سیکل ترکیبی 2/25 مگاوات و در اثر عملکرد توام سیستم مدیا و داکت برنر 7/31 مگاوات افزایش خواهد یافت که به ترتیب برابر 4/7 و 3/9 درصد می­باشد.

شکل 1- تغییرات توان تولیدی توربین­های گاز و توربین بخار

همانطور که در جدول (۸) مشاهده می­شود سیستم مدیا باعث می­شود که مصرف سوخت توربین­های گاز افزایش پیدا کند. اما چون افزایش توان تولیدی بیش از سوخت مصرفی می­باشد، راندمان توربین­ها افزایش می­یابد. عملکرد سیستم مدیا همچنین باعث می­شود که راندمان بلوک سیکل ترکیبی اندازه 0.1% افزایش یابد. اما روشن شدن داکت برتر باعث می­شود که بخشی از افزایش راندامان ناشی از عملکرد سیستم مدیا از دست برود.

جدول 8- تغییرات مصرف گاز و راندمان

بررسی علت کاهش راندمان ناشی از روشن شدن داکت برنر

در شکل (۲) دیاگرام ورود و خروج انرژی یک بلوک سیکل ترکیبی مشاهده می­شود. ورود انرژی از طریق سوخت ورودی به توربین­های گاز و داکت برنرها تامین می­شود و خروج انرژی از طریق ژنراتور توربین­های گاز و توربین بخار می­باشد.

در صورت عدم وجود داکت برنر نیروگاه به صورت خالص در حالت سیکل ترکیبی فعال خواهد بود و راندمانی در حدود 50% خواهد داشت. در صورتی که توربین­های گاز حذف شوند و حرارت ورودی فقط از طریق داکت برنرها تامین شود، سیکل ترکیبی تبدیل به سیکل رانکین خواهد شد و همانطور که می­دانیم حداکثر راندمان فایل دستیابی توسط سیکل رانکین حدود 40% می­باشد.

با توجه به توضیحات فوق بدیهی است که در زمان استفاده از داکت برنر در نیروگاه سیکل ترکیبی، راندمان بلوک می­بایست مابین دو میزان حدی 40% و50%  قرار گیرد.

شکل 2 – تغییرات توان تولیدی توربین­های گاز و توربین­های بخار

نتیجه­ گیری

در این تحقیق اثرات سیستم خنک­کن مدیا بر عملکرد بلوک سیکل ترکیبی و اجزای مختلف بویلر بازیاب مورد بررسی قرار گرفت. مهمترین نتایج حاصله عبارتند از :

سیستم مدیا باعث می­شود علاوه بر افزایش توان و راندمان توربین­های گاز، توربین بخار و راندمان بلوک سیکل ترکیبی نیز افزایش یابد.

داکت برنر باعث افزایش توان توربین بخار می­شود. اما راندمان بلوک سیکل ترکیبی را کاهش می­دهد.

• سیستم مدیا باعث می­شود که دمای دود خروجی از توربین گاز کاهش و میزان دبی دود افزایش یابد. برآیند اثرات فوق مثبت بوده و منجر به افزایش انرژی قابل استحصال از دود خروجی می­شود و با افزایش تولید بخار منجر به افزایش توان توربین بخار می­شود.
• سیستم مدیا باعث می­شود که اختلاف دمای میان دود و بخار در نقاطی از بویلر که در بالا دست نقطه خروجی اواپراتور HP از عملکرد سیستم مدیا تاثیر نمی­پذیرد.
• دبی دود توربین گاز با فعال شدن سیستم مدیا به میزان قابل توجهی افزایش و با روشن شدن داکت برنر اندکی کاهش می­یابد که علت آن افزایش فشار پشت توربین گاز در اثر احتراق داکت برنر می­باشد.
• با فعال شدن سیستم مدیا، میزان بخار آب موجود در دود افزایش می­یابد. اما دمای آب ورودی به پیش گرمکن و دمای فلز آن بسیار بالاتر از دمای نقطه شبنم بخار آب موجود در دود می­باشد. بنابراین خوردگی اسیدی پیش گرمکن نامحتمل می­باشد.
• سیستم مدیا و داکت برنر، مقدار گرمای دفع شده از سیکل و بار کندانسور را افزایش می­دهند که نتیجه آن بالا رفتن فشار کندانسور در حالت عدم استفاده از پیک کولر می­باشد.

منبع: پرهام صائن، حمید ابراهیم پور، کیومرث آقایی، حسین عباسی ” سیستم خنک کن مدیای متحرک بیرونی و تاثیر آن بر عملکرد بلوک سیکل ترکیبی” دومین همایش کاربران واحدهای گازی و سیکل ترکیبی V94.2