آموزش نیروگاه| سعید کردی زاده

نقطه پینچ بویلر (Pinch Point) چیست؟

نقطه پینچ بویلر 

در نیروگاههاي سیکل ترکیبی گاز خروجی از توربین گاز معمولا در دمایی بین 482 تا 650 درجه سانتی گراد وارد بویلر بازیاب حرارت یا HRSG می شود.

بویلرهاي بازیاب داراي طراحی بسیار متنوعی هستند ولی اکثر آنها به تعداد سطوح فشاري توربین بخار،داراي سیکل بخار فشار پایین، متوسط و بالا هستند.

هر کدام از این قسمت ها خود داراي قسمت اکونومایزر، تبخیر کننده و فوق اشباع مجزا هستند.

در اکثر نیروگاههاي سیکل ترکیبی قسمت فشار بالاي بویلر مابین 100bar تا 114bar  می باشد.

البته در طراحی هاي جدید این فشار تا 165bar نیز افزایش داده شده است.

همچنین قسمت فشار متوسط مابین 23.5bar تا 37bar و قسمت فشار پایین مابین 4bar تا 6bar طراحی می شود.

بخار فشار متوسط مجددا در بویلر بازیاب گرم می شود تا به دماي حداکثر سیکل برسد.

فشار قسمت کندانسور نیز معمولا بین 0.13bar تا 0.033bar طراحی می شود.

در این نیروگاههاي سیکل ترکیبی نیز مانند نیروگاه هاي بخاري میزان رطوبت خروجی از ردیف آخر پره توربین نباید بیشتر از 12 درصد گردد.

 

نقطه پینچ بویلر (Pinch Point) چیست؟ 

حداقل اختلاف بین منبع سرد و گرم در هر مبدل حرارتی پینچ نامیده میشود.

به عنوان مثال در یک بلوک نیروگاه سیکل ترکیبی متشکل از دو توربین گازی V94.2، دو بویلر HRSG مپنا و یک توربین بخار MST 50C،

اختلاف دمای آب ورودی اوپراتور درام HP و دمای دود توربین گاز در لحظه برخورد با این اوپراتورها، نقطه پینچ بویلر در HP نامیده میشود.

معمولا بویلر سازها مقدار نقطه پینچ بویلر را کمتر از 8 قرار نمی دهند.

اگر نقطه پینچ بویلر بزرگتر انتخاب شود هزینه ساخت بویلر برای بویلر ساز کمتر میشود.

 

نقطه اپروچ بویلر (Approach Point) چیست؟ 

اختلاف دمای بین آب خروجی از اکونومایزر در لحظه ورود به درام با دمای اشباع آب موجود در درام اپروچ (Approach)  نامیده میشود.

اپروچ نشان دهنده این است که دمای آب خروجی از اکنومایزر تا دمای اشباع چقدر فاصله دارد.

بنابراین اپروچ بزرگتر یعنی آب سردتر وارد درام داغ میشود.

این مسئله دو مشکل را ایجاد میکند:

  • تولید بخار بویلر را کاهش میدهد
  • اختلاف دما بین آب سرد و درام داغ باعث کاهش راندمان بویلر میشود

با کاهش اپروچ، ظرفیت  بخار دهی بویلر بیشتر میشود.

 

نقطه پینچ بویلر با دمای دود خرجی از توربین گازی چه ارتباطی دارد؟

در نیروگاههاي سیکل ترکیبی چنانچه بخواهیم

محاسبات اولیه و سرانگشتی از میزان بخار قابل تولید توسط دود خروجی از یک توربین گاز را انجام دهیم،

به اطلاعات اولیه زیر نیاز خواهد بود:

 میزان جریان گاز داغ خروجی از توربین گاز
 دماي گاز داغ خروجی
 مشخصات دما و فشار بخار تولیدي
 دماي آب تغذیه ورودي به بویلر بازیاب

با داشتن اطلاعات فوق و انجام فرض هاي زیر در طراحی،

می توان میزان بخار قابل استحصال از دود خروجی از توربین گاز را به دست آورد.

لازم به ذکر است فرض هاي زیر به دلایل اقتصادي شدن میزان سرمایه گذاري مورد نیاز اعمال می شود،

و چنانچه از نظر اقتصادي توجیه داشته باشد می توان این اعداد را تغییر داد:

فرض های در نظر گرفته شده از این قرار است:

1- دماي بخار تولیدي حداقل 28 درجه سانتی گراد یا بیشتر،

کمتر از دماي دود خروجی از توربین گاز باشد.

2- دماي دود خروجی از بویلر حداقل 22 درجه سانتی گراد بالاتر از

دماي نقطه شبنم اسید سولفوریک در آن شرایط باشد.

3- آب ورودي به قسمت سطوح تبخیر کننده در بویلر جهت جلوگیري از قفل شدن جریان

حداقل 8(بین 5,5 تا 11) درجه سانتی گراد پایین تر از دماي اشباع آب در فشار ورودي باشد.

این دما همان دمای اپروچ می باشد.

4-میزان دماي نقطه پینچ بویلر 8 تا 22 درجه سانتی گراد یا بیشتر فرض شود.

اگر نقطه پینچ بویلر عدد کوچکتری درنظر گرفته شود، بویلر ساز یاید انتقال حرارت بین آب و بخار و دود خروجی از توربین گازی را بیشتر کند.

این مسئله مستلزم افزایش هارپ های بویلر بوده و به همین دلیل کاهش نقطه پینچ بویلر موجب افزایش هزینه ساخت بویلر  می شود.

با توجه به فرض هاي فوق میزان بخار تولیدي به صورت زیر به دست می آید.

در رابطف بالا ℎ1 آنتالپی آب ورودي  و h2 آنتالپی بخار خروجی و k ضریب حرارت از دست رفته که معمولا در حدود 985. فرض می شود.

cp حرارت ویژه هوا در فشار ثابت که به صورت میانگین در دو دماي ورودي و خروجی بویلر بازیاب در نظر گرفته می شود.

در سیکل هاي حرارتی بازده سیکل کارنو به عنوان بالاترین بازده اي که در فرایند هاي حرارتی می توان به آن رسید باید مورد توجه قرار گیرد.

این بازده به صورت زیر به دست می آید که در آن TE دماي منبع تامین کننده انرژي و TA دماي محیط است.

مثال واقعی اول

به عنوان مثال بازده کارنو نیروگاه هاي بخاري با دماي حداکثر بخار 810 درجه کلوین

و در قسمت کندانسور در حدود 318 درجه کلوین در حدود 60 درصد خواهد بود.

درصورتی که در سیکل هاي واقعی بخار، حداکثر بازده در حدود 42 تا 49 درصد است.

بازده 49 درصد براي سیکل هاي جدید و فوق پیشرفته و فوق بحرانی با دماي بخار 655 تا 700 درجه سانتی گراد و دوبار گرمایش بخار می باشد.

چنانچه بر اساس تعریف، دماي شعله را به عنوان دماي منبع انتقال انرژي در نظر گرفته شود میزان بازده کارنو بسیار بالاتر خواهد بود.

ولی معمولا در نیروگاه هاي بخار دماي حداکثر بخار و در توربین هاي گاز دماي ورودي به توربین (TIT: Turbine Inlet Temperature)

را به عنوان دماي منبع انتقال حرارت در نظر می گیرند و بازده کارنو را با این دما محاسبه می نمایند.

در فرایند هاي واقعی بازده سیکل همواره کمتر از بازده سیکل کارنو متناظر است.

 

 چرا بازده تمام سیکل ها از بازده سیکل کارنو کمتر است؟

علت اصلی این اختلاف به دو دلیل عمده است:

1 -اختلاف دماي بین محفظه احتراق و دماي سیال عامل سیکل بسیار زیاد است.

به عنوان مثال دماي محفظه احتراق در اکثر نیروگاه هاي بخار تا 2000 درجه کلوین می رسد.

در صورتی که دماي حداکثر سیکل بخار بسته به نوع سیکل معمولا در حدود 810 درجه کلوین است.

2 -اختلاف دما بین دماي محیط و دماي دود خروجی از سیکل حرارتی بالا است.

به عنوان مثال اختلاف دماي بین محیط و دود خروجی از بویلرهاي بازیاب یا بخاري

بسته به نوع سوخت ودماي نقطه شبنم اسید سولفوریک و اسید کربونیک در دود خروجی

در حدود 100تا 200 درجه سانتی گراد است.

 

چطور بازده نیروگاه را افزایش دهیم؟

با توجه به دو دلیل مطرح شده در مورد حداکثر بودن بازده سیکل کارنو،

به دو روش کلی می توان بازده سیکل ترکیبی را بالا برد:

1-کاهش اختلاف دماي بین محفظه احتراق و دماي حداکثر سیال عامل سیکل

و یا به عبارتی دیگر افزایش دماي حداکثر سیال عامل سیکل.

2-کاهش اختلاف دماي بین دود خروجی از بویلر و محیط

و یا به عبارت دیگر کاهش دماي دود خروجی از بویلر.

 

مثال واقعی دوم

به عنوان مثال در نیروگاه هاي بخاري قدیمی دماي حداکثر بخار در حدود 810 درجه کلوین است.

ولی در نیروگاه هاي بخاري فوق بحرانی جدید دماي بخار تا 920 درجه کلوین نیز افزایش داده شده است.

همچنین دماي دود خروجی از بویلر با تصفیه سوخت قبل از ورود به بویلر و کاهش میزان سولفور و دیگر آلاینده ها

و در نتیجه کاهش دماي نقطه شبنم اسید سولفوریک، امکان کاهش دماي دود خروجی بدون آسیب سطوح حرارتی به وجود آمده است.

در نیروگاههاي سیکل ترکیبی ، در توربین گاز به دلیل اینکه محصولات احتراق مستقیما در سیکل مورد استفاده قرار می گیرد،

دماي حداکثر سیکل نسبت به نیروگاه هاي بخاري (دماي ورودي به توربین) بالاتر است و

بالطبع با توجه به اینکه دماي دود خروجی از دودکش بویلر بازیاب نیز به اندازه نیروگاه هاي بخاري است،

در نتیجه بازده نیروگاه هاي سیکل ترکیبی نیز به نسبت بالاتر از نیروگاه هاي بخاري بوده و به بازده سیکل کارنو نزدیک تر خواهد بود.

جدول زیر محاسبه بازده کارنو را بر اساس دماي ورودي به توربین،

دماي حداکثر بخار سیکل، دماي دود خروجی و دماي کندانسور ارائه داده است.

نقطه پینچ بویلر

 

در جدول فوق ردیف آخر بازده کارنو هر یک از سیکل هاي داخل جدول را نشان می دهد.

چنانچه افت هاي اگزرژي (Exergy) که در قسمت هاي مختلف مانند توربین، سیستم خنک کن و غیره رخ می دهد حذف شود،

می توان به این بازده دست یافت.

در سیکل هاي حرارتی حداکثر کار قابل استحصال از یک سیستم را با عنوان اگزرژي تعریف میکنند.

 

دیدگاه‌ها (0)

*
*

*

code