افزایش بازده توربین گاز V94.2 سری ۵ به روشهای مختلفی صورت میگیرد که روشهای زیر از جمله این راهکارها میباشند.
- نصب سیستم +IGV
- ارتقای توربینهای گازی V94.2 به +MAP2
- کاهش دمای ورودی کمپرسور به کمک سیستم مدیا در نیروگاه
- تزریق بخار به محفظه احتراق
- احداث سیکل ترکیبی
کاهش دمای هوای ورودی کمپرسور که عامل اصلی کاهش مصرف کار کمپرسور بوده و درنتیجه باعث افزایش توان کل نیروگاه و بهبود راندمان سیکل میگردد از طریق سیستمهای سرمایشی زیر امکانپذیر است.
1- سیستمهای خنککننده تبخیری
2- سیستمهای خنککننده تبریدی
3- سیستم ذخیرهسازی سرما
در این طرح با توجه به اینکه سیستم مدیا از نوع خنککننده تبخیری میباشد لذا عملکرد سیستم مذکور و اثرات آن مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرد.
سیستم مدیا در نیروگاه
در کلیه روشهای تبخیری، از تبخیر آب که یک فرآیند طبیعی است برای خنک کردن استفاده میشود. هنگامیکه آب میخواهد تغییر فاز دهد (تبخیر شود)، از محیط اطرافش گرما میگیرد. به عنوان مثال هنگامیکه یک پوند آب میخواهد تبخیر شود، حدود BTU۱۱۶۰ گرما لازم دارد. در سیستمهای تبخیری، آب مورد نیاز جهت خنک کردن هوا، به طرق مختلفی در معرض تماس با هوا قرار گرفته، انرژی مورد نیاز جهت تبخیر را از هوای ورودی توربین میگیرد و آن را خنک میسازد. عملکرد سیستم مدیا در شکل ۲ نشان داده شده است. این سیستم عموماً از یک سری سلولهای فایبرگلاس تشکیل میشود (شبیه شانه عسل). با پاشیدن آب روی این سلولها و مرطوب کردن آنها، میتوان از روش تبخیر سطحی آب، خنکی ایجاد میشود. هرچه سطوح تماس آب و هوا زیادتر شود، تبخیر سطحی سریعتر و بیشتر صورت خواهد گرفت. انتخاب این سلولها به صورت مارپیچ و به صورت شانه عسل، دقیقاً به منظور افزایش سطح تماس آب و هوا صورت گرفته است. حداکثر راندمان اشباع که میتواند توسط این سیستم ایجاد شود، ۹۰٪ است.
شکل ۲ سیستم مدیا
مزایای سیستم مدیا در نیروگاه
مزایای سیستم مدیا در نیروگاه از نوع متحرک عبارت است از:
- قرار گرفتن در بیرون فیلتر هوس و عدم تشکیل قطرات آب
- عدم افت فشار در زمانی که سیستم در مدار نمیباشد
- استفاده از آب سافت جهت هزینه کمتر آب مصرفی
- خاصیت پیش فیلتراسیون هوای ورودی توربین گازی و افزایش طول عمر فیلترها
- مصرف برق بسیار کمتر در مقایسه با سایر روشهای خنککن
- عدم نیاز به توقف واحد جهت نصب سیستم
همچنین سیستم مدیای متحرک دارای معایب زیر میباشد:
- تأثیرپذیری زیاد از شرایط محیطی ( دمای حباب تر)
- سرعت هوا هنگام عبور از سطوح مدیا نباید زیاد باشد.
- ایجاد اندکی افت فشار در هوای ورودی کمپرسور
علت انتخاب سیستم مدیا در نیروگاه به عنوان سیستم خنککننده هوای ورودی
به منظور تقسیمبندی اقلیم ایران شاخصهای اصلی از جمله: دمای خشک، رطوبت نسبی، تعداد روزهای گرم سال، میزان بارندگی، ارتفاع از سطح زمین لحاظ شده است. خصوصیات آب و هوایی اقلیمها به شرح جدول شماره ۱ میباشد.
جدول شماره ۱ تقسیمبندی نیروگاههای ایران بر اساس اقلیم
همانطور که در شکل شماره ۳ مشاهده میشود با کاهش یافتن دمای هوای ورودی، نقطه (۱) میبایست در امتداد خط فشار ثابت به سمت پایین و چپ جابجا شود. با توجه به اینکه در اثر خنک شدن هوای ورودی نسبت فشار کمپرسور افزایش مییابد، شرایط خروجی کمپرسور به منحنی فشار بالاتری منتقل خواهد شد. پس از طی فرآیند احتراق دمای دود ورودی به توربین به همان مقدار سابق خواهد رسید، با این تفاوت که مساحت بخش نارنجیرنگ کاهش خواهد داشت که با توجه به غالب بودن بخشهای سبزرنگ، افزایش توان خالص حاصله مثبت خواهد بود.
شکل ۳ عملکرد سیستم خنککن هوای ورودی بر روی سیکل برایتون
مدلسازی سیستم مدیا در نیروگاه
برای مدلسازی سیستم با توجه به شکل شماره ۴ و با معلوم بودن شرایط محیطی و بازده سیستم به عنوان پارامترهای اولیه، پارامترهای خروجی، شامل دما و رطوبت نسبی، رطوبت مطلق به صورت زیر محاسبه میشود.
شکل ۴ فرایند سایکرومتریک سرمایش تبخیری در سیستم مدیا
Pg فشار اشباع هوا بوده و به صورت تابعی بر حسب دمای هوا مدل میشود. پس از آن مقادیر و محاسبه میشود.
بازده سیستم خنککاری از رابطه ۳ محاسبه میگردد.
با معلوم بودن بازده سیستم و دمای حباب تر میتوان دمای خروجی سیستم را به صورت زیر محاسبه نمود:
روز و ساعت انتخابی، ۱۳ تیر ساعت ۱۷ با دمای ۴۵ درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی ۵٪ محیط مشخصات هوای ورودی به کمپرسور میباشد.
دما و رطوبت نسبی قبل و بعد سیستم مدیا با در نظر گرفتن راندمان ۸۰٪ همانطور که در نمودار شماره ۱ و ۲ ملاحظه میکنید.
نمودار شماره ۱ دمایی هوای ورودی قبل و بعد سیستم مدیا در ۱۳ تیرماه
نمودار شماره ۲ رطوبت نسبی هوای ورودی قبل و بعد سیستم مدیا در ۱۳ تیرماه
مقدار افزایش توان ناشی از سرمایش تبخیری هوای ورودی توربین گاز وابستگی زیادی به دما و رطوبت نسبی هوای محیط دارد. از آنجا که دو پارامتر مذکور در ساعات مختلف شبانهروز و فصول مختلف سال دارای تغییرات قابل توجه میباشند، لازم است تغییرات فصلی و ساعتی آنها مد نظر قرار گیرد شود تا بتوان مقدار افزایش توان تولیدی و مصرف آب و گاز سیستم در طول فصل کاری را برآورد نمود. برای انجام محاسبات، از دادههای هواشناسی از سال ۱۳۸۵ تا ۱۳۹۵ سال استفاده شده است و بر اساس اطلاعات یک دوره ده ساله سازمان هواشناسی به شرح نمودار شماره ۴ میباشد که بهترین زمان در مدار بودن سیستم مدیا از اردیبهشت تا مهرماه میباشد.
نمودار شماره ۳ میانگین حداقل و حداکثر دمای محل نصب توربین از سال ۹۵-۸۵
محاسبه افزایش توان در ساعت طرح با سیستم مدیا در نیروگاه
برای محاسبه افزایش توان حاصل از سیستم سرمایش هوای ورودی لازم است که توان واحدهای گازی قبل و بعد از راهاندازی سیستم سرمایش محاسبه شوند. برای این منظور از منحنیهای ضریب تصحیح عملکرد توربین گاز در جدول شماره ۲ که توسط شرکت سازنده توربو کمپرسور زیمنس ارائه شده است استفاده نمود.
جدول شماره ۲ ضرایب تصحیح توان توربین گاز V94.2 سری ۵ با و بدون سیستم مدیا.
لازم به ذکر میباشد ضریب P12 بر اساس تجربه شرکتهای سازنده سیستم مدیا اعمال شده است.
توان تولیدی توربین گاز در حالت کاری بار پایه و دمای ورودی توربین ثابت، در شرایط خشک و مرطوب پس از اعمال ضرایب فوق عبارت است:
بنابراین استفاده از سیستم مدیا باعث میشود توان تولیدی توربین گاز به اندازه 86/16 مگاوات در شرایط دمایی یادشده افزایش یابد و در نمودار شماره 4 مقدار افزایش تولیدی توربین گاز در 6 ماه طرح به صورت شبانهروز نشان میدهد.
نمودار ۴ مقدار افزایش تولیدی توربین گاز در ۶ ماه طرح
محاسبه افزایش راندمان در ساعت طرح با سیستم مدیا در نیروگاه
سیستم خنککن مدیا، علاوه بر توان توربین گاز راندمان آن را هم افزایش میدهد. برای به دست آوردن مقدار افزایش راندمان باید ضرایب تصحيح جدول شماره ۳ در بازده سیکل برایتون اعمال شود.
جدول شماره ۳ ضرایب تصحیح راندمان توربین گاز V94.2 سری ۵ با و بدون سیستم مدیا.
مقدار افزایش متوسط راندمان توربین گاز به تفکیک ۶ ماه در نمودار ۵ قابل مشاهده میباشد.
نمودار ۵ مقدار افزایش متوسط راندمان توربین گاز در ۶ ماه طرح
محاسبه دبی هوای توربین در ساعت طرح با سیستم مدیا در نیروگاه
با توجه به اینکه برای محاسبه مقدار آب تبخیری سیستم مدیا نیاز به دانستن دبی هوای ورودی به کمپرسور میباشد، در این بخش دبی هوای توربین گاز محاسبه میشود. دبی هوای توربین گاز V94.2 سری ۵ در شرایط استاندارد در حدود ۵۲۰ کیلوگرم بر ثانیه میباشد که اعمال ضرایب تصحیح عملکرد دبی هوای ورودی طبق جدول شماره ۴، دبی هوای ورودی کمپروسر به دست میآید.
جدول شماره ۴ ضرایب تصحیح دبی هوای ورودی توربین گاز V94.2 سری ۵ با و بدون سیستم مدیا.
محاسبه مصرف آب سیستم مدیا در نیروگاه در ساعت طرح
مقدار آب تبخیر شده به صورت ذیل محاسبه میشود:
عدد 3.85 بیانگر دبی آب مصرفی بر واحد کیلوگرم بر ثانیه میباشد که معادل 13.84 مترمکعب بر ساعت میباشد.
با در نظر گرفتن ۵۰ درصد از آب تبخیر شده جهت بلودان، مقدار آب مصرفی بر حسب کیلوگرم بر ثانیه، خواهیم داشت:
در پایان میزان آب مصرفی در ساعت یاد شده 20.77 مترمکعب بر ساعت و در مجموع ۶ در نمودار ۶ به تفکیک ماه قابل ملاحظه میباشد.
نمودار میانگین آب مصرفی سیستم مدیا در ۶ ماه
محاسبه افزایش مصرف سوخت گاز در ساعت طرح با سیستم مدیا در نیروگاه
سیستم مدیا با خنک کردن هوای ورودی، توان تولیدی توربین گاز را افزایش میدهد. توان اضافهشده به سیستم از طریق افزایش مصرف سوخت گاز تأمین میشود. اما از سوی دیگر، سیستم مدیا باعث افزایش راندمان واحدهای گازی و درنتیجه کاهش مصرف سوخت به ازای توان تولیدی یکسان میشود. بنابراین مشاهده میشود که سرمایش هوای ورودی دارای دو اثر متضاد میباشد که برآیند آنها افزایش مصرف سوخت میباشد. به عبارت دیگر، برای تولید توان اضافه، چه از طریق سیستم خنککن هوای ورودی و چه از طریق زیر بار بردن توربینهای گاز هممدل دیگر، از مصرف سوخت بیشتر امری اجتنابناپذیر میباشد. اما از آنجا که سیستم مدیا راندمان توربین گاز را افزایش میدهد، مصرف سوخت به ازای واحد توان تولیدی کمتر از حالتی خواهد بود که توان مورد نیاز از طریق توربینهای گاز مشابه تأمین شود. ضمن آنکه در زمانهای پیک بار، معمولاً تمام واحدها زیر بار بوده و اساساً ظرفیت اضافهای در اختیار قرار ندارد.
مقدار انرژی گرمایی مصرفی به توربین گاز به صورت ذیل محاسبه میشود:
با توجه به اینکه ارزش حرارتی (Lower Heating Value (LHV)) گاز طبیعی ۴۵۱۷۸ میباشد، مقدار افزایش در مصرف گاز در ساعت طرح عبارت است از:
لازم به ذکر است که در صورت استفاده از سیستم مدیا در مقایسه با سیستم خشک در ساعت طرح مقدار مصرف گاز 3857 افزایش و مصرف گاز در مجموع ۶ در نمودار ۷ به تفکیک ماه قابل ملاحظه میباشد.
نمودار ۷ مقدار افزایش متوسط مصرفی گاز وقتی سیستم مدیا در مدار است در ۶ ماه
برآورد هزینههای عملیاتی سیستم مدیا در نیروگاه
هزینههای عملیاتی سیستم خنک مدیا عبارتند از:
- هزینه سرمایهگذاری اولیه
- هزینه خرید گاز
- هزینه تعمیرات و نگهداری
- هزینه تولید آب
پارامترهای مؤثر در سیستم مدیا عبارتند از:
- نرخ ارز هر دلار ۳۸۰۰۰ ریال
- بهای گاز تحویلی به نیروگاه هر مترمکعب ۸۸۰ ریال
- بهای آب تمامشده برای نیروگاه هر مترمکعب ۵۲۰۰ ریال
- بهای خرید برق از نیروگاه هر کیلووات ساعت ۶۰۰ ریال
- هزینه سرمایهگذاری اولیه برای دو واحد گازی ۸ میلیارد تومان
- عمر مفید تجهیزات سیستم مدیا ۲۰ سال
- ارزش اسقاطی سیستم صفر
برآورد درآمد ناخالص سیستم مدیا در نیروگاه
سیستم خنککن مدیا از طریق افزایش توان تولیدی توربینهای گاز و درنتیجه افزایش فروش برق برای نیروگاه کسب درآمد میکند. انجام محاسبات مربوط به درآمد ناخالص در جدول شماره ۵ با فرضیات ذیل و انجام شده است:|
- سیستم خنککن مدیا از اردیبهشتماه تا مهرماه فعال میباشد.
- سیستم در تمام ۲۴ ساعت شبانهروز آمادگی تولید دارد.
- سیستم همه به صورت شبانهروز تولید عملی دارد.
جدول شماره ۵ درآمد ناخالص فروش انرژی
با توجه به اینکه تعداد توربینهای گاز ۲ دستگاه میباشد، درآمد ناخالص (Annual Gross Income) به ریال عبارت است از:
محاسبه درآمد خالص سیستم مدیا در نیروگاه
لازم به ذکر است هزینه تعمیرات و نگهداری سیستم طبق مدارک شرکت سازنده سالیانه مبلغ ۲۰۰۰۰۰۰۰۰ ریال به ازای هر واحد میباشد. درآمد خالص سالانه سیستم مدیا از کسر نمودن هزینههای عملیاتی از درآمد خالص به شرح جدول ۶ محاسبه میشود.
جدول ۶ محاسبه درآمد خالص سالانه سیستم خنککن مدیای دو توربین گاز نیروگاه
دوره بازگشت سرمایه (Payback Period) سیستم مدیا در نیروگاه
این روش نشاندهنده سالهای بعد از دوران سرمایهگذاری است که اصل وجوه نقد سرمایهگذاری شده، بر اثر فعالیتهای ناشی از طرح به داخل شرکت جریان خواهد یافت. مثلاً، اگر سرمایهگذاری اولیه در طرحی ۶ میلیارد ریال و بازده نقدی سالانه آن تا ۵ سال ۲ میلیارد ریال باشد، دوره بازگشت سرمایه ۳ سال خواهد بود؛ یعنی ۳ سال طول میکشد تا اصل مبلغ سرمایهگذاری شده به سرمایهگذار برگشت شود. دوره بازگشت سرمایه این پروژه تقریباً ۲ سال و ۳ ماه میباشد.
نتیجه گیری
حال میتوان با دانستن درصد افزایش مگاوات و پیشبینی مگاوات تولیدی، طرح را به لحاظ فنی و اقتصادی توجیه نمود و سیستم مدیا باعث میشود که توان تولیدی توربین گاز به اندازه 86/16 مگاوات در شرایط دمایی یاد شده افزایش یابد و بازده توربین گازی حدود 9/0 درصد افزایش بازده خواهد داشت و در مجموع شش ماه ۴۱۰۳۰ مگاوات توسط سیستم خنککن مديا، افزایش توان داشته و در کنار درآمد حاصل از فروش برق و آمادگی تولید، یک منبع بالقوه درآمدی دیگر نیز دارد و آن استفاده از ظرفیت بلااستفاده تصفیهخانه (۳۶۰ مترمکعب در شبانهروز)، در شش ماه سرد سال و تولید و فروش آب نرم به صنایع مصرفکننده موجود در اطراف نیروگاه میباشد. از آنجا که تمرکز پروژه حاضر بر روی تولید برق میباشد، درآمد بالقوه حاصل از فروش آب در محاسبات منظور نشده است. اما بدیهی است که در صورت تمایل سرمایهگذار به کسب درآمد اضافه از این طریق، نرخ بازگشت سرمایه نسبت به حالتی که درآمد فقط از طریق فروش برق تأمین شود افزایش خواهد یافت.