مهم ترین سرفصل های این مقاله:
اگزرژی در توربین بخار
1- اگزرژی
درصد بالایی از توان الکتریکی مورد نیاز کشور، در نیروگاه سیکل ترکیبی تامین میشود و عمده انرژی مورد نیاز این نیروگاهها
سوختهای فسیلی هستند. بالا بودن هزینه تمام شده تهیه و انتقال سوخت به نیروگاه و همچنین محدود و تجدیدناپذیر بودن
سوختهای فسیلی، بهبود عملکرد این نیروگاهها بسیار حائز اهمیت نموده است. استفاده از روش تحلیل اگزرژی (Exergy) و کاربرد
قانون دوم ترمودینامیک، اندازهگیری دقیقی از میزان اگزرژی، اتلاف اگزرژی و ناکارآمدیهای واقعی آن در یک نیروگاه سیکل ترکیبی را
نشان میدهد.
۲- شرح نیروگاه سیکل ترکیبی
شکل 1: نمای کلی از نیروگاه سیکل ترکیبی
دو مفهوم اگزرژی و برگشتناپذیری در طی سالها منجر به پیدایش مفاهیم گوناگونی از جمله روشها و معیارهای کارایی شده
است. اگرچه روش اگزرژی معمولا به عنوان یک شیوه جدید در نظر گرفته میشود، تلاشهای اولیه در بررسی و ارزیابی اشکال
گوناگون انرژی با توجه به قابلیت تبدیل آنها مستقیما با آغاز فرمولبندی قانون دوم ترمودینامیک مربوط بوده است.
یک چرخه ساده نیروگاه برق به طور معمول راندمانی بین ۲۵ تا ۴۰ درصد دارد، در حالی که همان نیروگاه با سیکل ترکیبی راندمان
الکتریکی حدود ۶۰ درصد را دارد.
٣- محیط مورد مطالعه
مطالعه مورد نظر در یک نیروگاه سیکل ترکیبی انجام گرفته است، مشخصات کلی واحد نیروگاه در جدول (۱) آمده است.
جدول ۱: مشخصات اصلی نیروگاه.
۴- روش کار در بررسی اگزرژی در توربین بخار
برخلاف معیارهای مرسوم کارایی، مفهوم برگشتناپذیری قویا بر دو اصل ترمودینامیک استوار است. موازنه انرژی برای ناحیه کنترل،
که از روی آن نرخ برگشتناپذیری یک فرایند را میتوان محاسبه نمود، میتواند با تلفیق معادله انرژی (قانون اول) با رابطه بیانگر نرخ
تولید آنتروپی (قانون دوم) به دست آید. اگرچه قانون دوم بطور صریح در تحلیل اگزرژی بکار برده نمیشود، ولی کاربرد آن در تحلیل
فرایند عملا بیانگر اثر این قانون است. بدین ترتیب مطالعه اشکال مختلف برگشتناپذیری و اثر آنها بر روی کارایی واحد، درک بهتر و
مفیدتری را نسبت به مطالعه بیانها و استنتاجهای این قانون بدست میدهد.
در این مقاله اگزرژی مربوط به مولفههای شیمیایی و اگزرژی مربوط به پتانسیل (Potential) ناچیز فرض شده است. همچنین
اگزرژی شیمیایی در مواردی که تغییرات شیمیایی نداریم، صفر در نظر گرفته شده است.
کسر مولی اجزای موجود در هوا در جدول (۲) و ترکیب هوا و آنالیز دود خروجی از دودکش در جدول (۳) آمده است.
با به کارگیری قانون اول و دوم ترمودینامیک و قانون بقای جرم میتوان به روابط زیر رسید.
در صورتیکه ورود و خروج کار و انرژی حرارتی نداشته باشیم، و صفر میباشند. رابطه (۴) را میتوان برای اگزرژی یک سیستم نوشت:
زیرنویس صفر اشاره به شرایط مرجع محیطی دارد بر اساس فرمول میتوان نتیجه گرفت که اگزرژی سیستم زمانی که در تعادل با محیط باشد صفر است (P0=P, T=T0).
ترم آخر مربوط به اگزرژی شیمیایی میباشد که به پتانسیل شیمیایی اجزاء در حالت تعادل محیطی مربوط میباشد.
جدول ۲: کسر مولی اجزای موجود در هوا.
جدول ۳: ترکیب هوا و آنالیز دود خروجی از دودکش.
۵- آنالیز کل سیکل نیروگاه
در این تحقیق عملکرد بخش بخار یک نیروگاه سیکل ترکیبی در دو دمای متفاوت بخار سوپرهیت، با استفاده از روش تحلیل اگزرژی
مورد بررسی قرار گرفته است. اطلاعات مورد نیاز از سیکل مطابق جدول (۶) در دو سطح دمایی بخار سوپرهیت فشار بالا ۵۱۴ و ۵۱۸
درجه سانتیگراد دادهبرداری شده است. اگزرژی، تخریب اگزرژی و راندمان قانون دوم در هر دو حالت محاسبه شده است. به علت
محدودیت در حجم مقاله، محاسبات بطور خلاصه در حالت دمای سوپرهیت بالا لحاظ شده است.
نکته حائز اهمیت در محاسبات این است که با توجه به ناچیز بودن تلفات گرمایی بر واحد جریان عبوری میتوان از تلفات اگزرژی
مربوط به تلفات گرما صرف نظر نمود.
با در نظر گرفتن رابطه موازنه اگزرژی از رابطه و احتساب هر یک از اجزای سیکل به عنوان یک حجم کنترل (Control Volume)،
میتوان تخریب اگزرژی در هر جزء را بدست آورد.
۶- روابط اگزرژی در توربین بخار
- روابط اگزرژی پمپ تغذیه بویلر بازیاب
روابط مربوط به تحلیل انرژی و اگزرژی پمپها بصورت زیر بیان میشود:
اگزرژی پمپ بر اساس دادههای موجود و فرمول اگزرژی بصورت زیر بدست میآید:
با توجه به اینکه مقدار توان پمپ ۱۴۰۰ کیلووات است، افت اگزرژی از کم کردن توان از مقدار اگزرژی بدست میآید.
- روابط اگزرژی بویلر بازیاب
با توجه به روابط ترمودینامیکی مربوط به بالانس انرژی در بویلر، مشخصات ترمودینامیکی جریان آب و بخار در سراسر بویلر تعیین
میگردد جدول (۴). با توجه به رابطه زیر اگزرژی جریان آب و دود در سرتاسر بویلر بازیاب محاسبه خواهد شد.
دمای دود ورودی به بویلر بازیاب در حدود ۵۳۳ میباشد. اگزرژی دود (که مخلوطی از گازهای مختلف است) مجموع اگزرژی فیزیکی
و شیمیایی میباشد. مقدار اگزرژی شیمیایی از روی ترکیب شیمیایی دود تعیین میشود و در سرتاسر بویلر بازیاب ثابت است. اگزرژی
فیزیکی تابع دمای دود میباشد و با کاهش دما کاهش مییابد. اگزرژی دود که مجموع اگزرژی شیمیایی و اگزرژی فیزیکی میباشد
از روابط زیر محاسبه میشود:
- اگزرژی دود خارجی از محفظه احتراق
- اگزرژی شیمیایی مخلوط
- اگزرژی فیزیکی مخلوط
بویلر، اگزرژی شیمیایی سوخت را با راندمان (Efficiency) اگزرژی ۲۹۷/0 بدست آمده در رابطه (۱۷) به بخار انتقال میدهد. در این
انتقال، بخش زیادی از اگزرژی سوخت تلف میشود.
این تلفات شامل سه بخش اگزرژی اتلافی گازهای خروجی از دودکش، اگزرژی اتلافی در مرحله احتراق بخش و انتقال حرارت است.
جدول ۴: شرایط ترمودینامیکی آب سیکل در دمای بخار سوپرهیت بالا
- اگزرژی اتلافی در مرحله احتراق و انتقال حرارت
بازده قانون دوم به شرح ذیل است:
دبی گاز مصرفی در رابطه (۱۷)، 5/9 کیلوگرم بر ثانیه میباشد.
در این رابطه، اگزرژی شیمیایی سوخت است:
و تغییرات اگزرژی بخار در ورود و خروج از بویلر است:
نسبت کل تلفات اگزرژی بویلر به اگزرژی شیمیایی سوخت:
- روابط اگزرژی توربین بخار فشار بالا
روابط مربوط به این نوع توربینها همانند توربینهای دیگر است. در نیروگاه از رابطه زیر برای محاسبه اگزرژی توربین بخار فشار بالا استفاده میشود:
- روابط اگزرژی توربین بخار فشار پایین
با کم کردن توان توربین بخار (۱۴۲ مگاوات) از مجموع اگزرژی توربین فشار بالا و فشار پایین (۷۳ + ۱۲۰) افت اگزرژی بدست میآید:
راندمان اگزرژی از تقسیم توان واحد بخار بر اگزرژی تولیدی دو توربین بدست میآید:
- روابط اگزرژی کندانسور
با استفاده از شرایط ترمودینامیکی نقاط سیکل، اگزرژی ورودی به کندانسور طبق رابطه زیر محاسبه میشود:
با توجه به اینکه خواص ورودی و خروجی کندانسور مشابه و یکسان است کندانسور اگزرژی ندارد.
با توجه به محدودیت حجم مطالب در این مقاله محاسبات بطور خلاصه و در یک سطح فشار کاری انجام شده است و در حالت دوم فقط از نتایج محاسبات استفاده شده است.
جدول ۵: علایم و اندیسها.
جدول ۶: مقادیر ثبت شده از سیکل بخار در دو سطح دمای بخار سوپرهیت نیروگاه سیکل ترکیبی.
۷- نتایج
نتایج بدست آمده در دو سطح دمایی بخار سوپرهیت فشار بالا در جدولهای (۲) تا (۷) آمده است.
اگزرژی اجزا مختلف سیکل بخار در شکل (۲) دیده میشود. مجموعا ۸۷۱ مگاوات اگزرژی در بخار سوپرهیت فشار بالا با دمای ۵۱۸
درجه سانتیگراد تولید شده است. به ازای این اگزرژی، ۱۳۴ مگاوات توان واقعی توسط توربین بخار تولید شده است. بنابراین
میتوان گفت ۳/۱۵ درصد اگزرژی به توان واقعی تبدیل شده است.
| شکل 2: اگزرژی اجزای اصلی بخش بخار. | |
شکل (۳) و (۴) نشان میدهد بویلر بازیاب محل تولید و اتلاف بیشترین حد اگزرژی میباشد.
شکل 3: اتلاف اگزرژی اجزای اصلی بخش بخار.
| شکل 4: اگزرژی و اتلاف آن در دمای سوپرهیت بالا |
بصورت عددی ۸۳ درصد اگزرژی تولید شده و ۹۸ درصد اتلاف اگزرژی در بویلر اتفاق افتاده است. شکلهای (۵) و (۶) بیانگر این موضوع میباشند.
|
شکل 5: درصد اگزرژی در دمای سوپرهیت بالا. |
|
شکل ۶: درصد اتلاف اگزرژی در دمای سوپرهیت بالا. |
بطور کلی به ازای ۴ درجه افزایش دمای بخار سوپرهیت فشار بالا از ۵۱۴ درجه سانتیگراد به ۵۱۸ درجه سانتیگراد، مجموع اگزرژی
بخش بخار از ۸۶۲ مگاوات به ۸۷۱ مگاوات افزایش یافته است. از مجموع ۹ مگاوات اگزرژی بوجود آمده، ۲ مگاوات معادل 22 درصد
اگزرژی کل تولید شده، توان واقعی توسط توربین بخار تولید شده است. شکل (7) به روشنی تفاوت عملکرد اجزا را در دو سطح دمایی نشان میدهد.
|
شكل ۷: اختلاف اگزرژی اجزا در دو دمای سوپرهیت متفاوت. |
جدولهای (7) و (8) مقادیر اگزرژی، راندمان، درصد اگزرژی و افت آن را نشان میدهد.
جدول 7: مقادیر اگزرژی، اتلاف اگزرژی و راندمان اجزا در دو دمای سوپرهیت.
جدول 8: درصد اگزرژی و اتلاف آن در دو دمای سوپرهیت.
8- نتیجهگیری اگزرژی در توربین بخار
اثر مافوق گرم کردن بخار آب در بویلر فشار قوی که در شکل (۷) نشان داده شده است، به روشنی نشان میدهد که مقدار کار و مقدار
حرارت منتقل شده به بویلر افزایش خواهد یافت. واضح است برای یک فشار خاص، مافوق گرم کردن بخار آب موجب افزایش کارایی
سیکل میگردد. این افزایش کارایی از این واقعیت نیز مشهود است که درجه حرارت متوسط تغذیه حرارت به بخار آب، افزایش یافته
است. همچنین وقتی بخار آب مافوق گرم، گرمتر میشود، کیفیت بخار آب خروجی از توربین نیز افزایش خواهد یافت.
محدودیت استفاده از دمای بالای بخار مافوق گرم در توربین به آلیاژهای بکار رفته در پرههای توربین بستگی دارد. بیشترین دمای
مجاز بخار مافوق گرم فشار بالا که میتواند وارد توربین شود، ۵۲۰ درجه سانتیگراد است. حد پایین دمای بخار با توجه به فشار آن
جهت جلوگیری از رسیدن بخار سوپرهیت به بخار اشباع در پرههای ردیف آخر توربین، حداقل ۴۸۰ درجه سانتیگراد تعریف شده
است. بهرهبرداری در این محدوده توسط سیستم کنترل دما با استفاده از پاشش آب اسپری در بخار انجام میگیرد. در این مقاله رفتار
سیستم در دو سطح دمایی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته شده است، هدف مشخص نمودن تاثیر افزایش دمای بخار بر عملکرد
بویلر بازیاب و توربین بخار میباشد.
به علت حساسیت بالای سیستم کنترل و حفاظت دما، همچنین ماهیت لخت بودن بازخورد دمایی از بخار سوپرهیت در سیستم
کنترل دمایی، ریسک بهرهبرداری از واحد بخار در دمای بالا بسیار زیاد است و احتمال سوختگی پرههای ابتدایی توربین وجود دارد.
در اینجا سعی شده است تاثیر افزایش دمای بخار تا حد بالای ۵۲۰ درجه و پذیرفتن ریسک این عمل، از دید تحلیل اگزرژی مورد بررسی
قرار گیرد. آیا بالا بردن دمای بخار و میزان افزایش توان تولیدی توجیه فنی و اقتصادی دارد؟
نتایج بدست آمده نشان میدهد، به کمک سیستم کنترل آب اسپری، دمای بخار در محدوده متعارف کنترل میکند، امکان تولید
بیشترین توان خروجی توربین بوسیله بالاترین دمای بخار سوپرهیت ممکن شده است و نسبت تولید توان واقعی به اگزرژی ایجاد
شده قابل توجیه فنی و اقتصادی میباشد.
شکل 8: نمودار T-S در دو سطح دمایی سوپرهیت
