معمولا نیروگاه‌ها در محلی ساخته می‌شوند که امکان دسترسی به منابع بزرگ آب وجود داشته باشد، مگر اینکه عواملی مثل دسترسی به سوخت و نیاز شبکه برای تولید برق در نقطه خاصی، ایجاب کنند نیروگاه در محلی احداث گردد که منابع آبی زیاد وجود نداشته باشد. چراکه برای خنک کردن بخار آب نیاز به آب هست چه به صورت اسپری و چه به صورت جریان مداوم بر روی دلتاها.
سیستم خنک‌کن خشک غیرمستقیم (هلر)
یکی از سیستم‌های خنک‌کن، سیستم خنک‌کن خشک غیرمستقیم، مشهور به سیستم خنک‌کن هلر می‌باشد. این سیستم اولین بار در سال ۱۹۶۵ توسط هلر، پروفسور دانشگاه فنی بوداپست مجارستان در کنفرانس جهانی نیرو در وین مطرح گردید.
در این سیستم بخار خروجی از توربین توسط آب عبوری از برج، که دبی جرمی آن حدودا ۴۰ تا ۵۰ برابر دبی بخار خروجی از توربین است، تقطیر می‌شود. عمل میعان در درون یک چگالنده پاششی صورت می‌گیرد. آب واسطه که حرارت بخار خروجی از توربین را گرفته و گرم شده است، به کمک تعدادی مبدل حرارتی فشرده، حرارت جذب‌شده را با محیط مبادله می‌کند. در شکل (۱) نمای ساده‌ای از این سیستم نشان داده شده است. مبدل‌های حرارتی به کار رفته در این سیستم از نوع مبدل‌های حرارتی فشرده با پره‌های صفحه‌ای، مشهور به فورگو 160 می‌باشد. این مبدل‌ها در اطراف یک برج بلند چیده می‌شوند. برج بر اساس مکش طبیعی کار کرده و باعث ایجاد جریان هوای محیط از روی مبدل‌ها می‌شود. این سیستم به علت عدم نیاز به آب جبرانی و پایین بودن هزینه تعمیر و نگهداری و با توجه به امکانات ساخت داخل برای کشورمان، ایران، مناسب است.
این مبدل‌ها به‌صورت قائم روی محیط برج خنک‌کن چیده می‌شوند. علاوه بر مبدل‌های حرارتی اصلی تعدادی مبدل حرارتی که بنام پیک کولر معروف می‌باشند، در داخل برج پیش‌بینی می‌شود. از پیک کولرها در هنگام راه‌اندازی نیروگاه در هوای سرد فصل زمستان و برای کاهش فشار کندانسور در هوای گرم فصل تابستان و درنتیجه کسب توان بیشتر از توربین بخار استفاده می‌شود. پیک کولرها مجهز به فن بوده که هوای مورد نیاز آن‌ها را در هر دو حالت کاری ذکرشده تامین می‌کنند. برج خنک‌کن هلر بر اساس مکش طبیعی کار می‌کند تا هوای روی مبدل‌های حرارتی جریان یابد. در شکل (۲-۱) نمای ساده‌ای از این نوع برج نشان داده شده است.
شکل (۱) نمای ساده‌ای از سیستم خنک‌کن هلر
سیستم خنک‌کن خشک مستقیم (ACC)
مبنای عملکرد این سیستم بر اساس تبادل حرارت سیال عامل (آب) با سیال هوا بوده، که به دلیل ظرفیت گرمایی، چگالی و ضریب هدایت گرمایی پایین هوا، دارای ابعاد بسیار بزرگی می‌باشد. این مسئله باعث افزایش زیاد سطح انتقال حرارت می‌گردد. مبدل‌های حرارتی بکار رفته در سیستم ACC از نوع جریان یک‌طرفه بوده که به دلیل شکل جریان (بخار تقطر شده) در آن و همچنین شکل tube مبدل، دارای مزیت‌های بالای می‌باشد.
شکل (2) نمایی از سیستم ACC
همان‌طور که در شکل (۲) دیده می‌شود، بخار خروجی از توربین با گذر از steam duct و سپس لوله‌های توزیع بخار وارد مبدل‌های حرارتی ACC شده و پس از چگالش در آن به منبع حرارتی سیکل باز می‌گردد. مبدل‌های یک‌طرفه بکار برده شده در این سیستم به دو شکل جریان موازی و مخالف بکار برده شده‌اند، که در شکل (3) جریان موازی بخار با ورود از بالای مبدل‌ها به طرف پایین آن‌ها جریان پیدا کرده و چگالش می‌یابد. بخار چگالش یافته در لوله‌های کنار مبدل جمعآوری شده و در مخزن ذخیره تخلیه می‌گردد.
شکل (3) یک سلول با مبدل‌های جریان موازی
در مبدل‌های با جریان موازی، ۸۵٪ کل بخار واردشده به آن تا انتهای مسیر تقطیر شده و ۱۵٪ باقیمانده با حرکت به سمت بالا در مبدل‌های جریان مخالف تقطیر می‌گردد. در این مبدل‌ها مایع با حرکت به سمت پایین و وارد شدن به لوله‌های جمعآوری به مخزن تغذیه تخلیه شده و گازهای غیرقابل چگالش نیز از بالای آن توسط سیستم خلاء مکیده شده و از سیستم خارج می‌گردد.
بسته به نوع شرایط کاری و عملکردی توربین، بخار خروجی آن مرطوب بوده و مقداری از آب موجود در بخار در طول steam duct در hot well جمع می‌گردد. در شرایط راه‌اندازی، این آب نیز توسط پمپ‌های hot well (٪۱۰۰×۲) به تانک ذخیره condensate تخلیه می‌شود. در هنگام راه‌اندازی واحد مقداری آب در hot well جمع خواهد شد.
میزان انرژی سرمایشی لازم برای ACC با توجه به دبی بخار ورودی به آن و دمای محیط و میزان فشار مورد نیاز ایجادشده در ACC، توسط دبی هوای دمیده شده به‌وسیله فن‌ها ایجاد می‌گردد که این مسئله با توجه به نمودار عملکردی ACC، صورت می‌پذیرد.
ACC باید به گونه‌ای طراحی گردد تا در تمام شرایط و محدوده عملکردی، همچنین در دمای محیطی بسیار پایین بدون یخ‌زدگی و یا در شرایط دمای بالای محیط و Bypass توربین، به‌خوبی عمل کند.
وجود هوا و گازهای چگالش‌ناپذیر در بخار باعث تشکیل لایه‌ای از هوا بر روی فیلم سیال تقطیر شده می‌گردد. وجود این لایه‌ی هوا سبب کاهش چشمگیر ضریب انتقال حرارتی کلی خواهد شد. از این‌رو باید گازها را از سیکل خارج کرد.
پارامترهای مؤثر در گزینش نوع سیستم خنک‌کن نیروگاه
پارامترهای مؤثر در گزینش نوع سیستم خنک‌کن نیروگاه به‌طور کلی به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:
- پارامترهای اقلیمی نیروگاه
- پارامترهای تأثیرگذار از سیکل تولید نیرو
- پارامترهای اقتصادی
نحوه تأثیرگذاری، درجه اهمیت و همچنین محدودیت‌های ایجادشده ناشی از عوامل فوق در انتخاب نوع برج خنک‌کن نیروگاه به صورت زیر است.
پارامترهای اقلیمی نیروگاه
عوامل مؤثر اقلیمی نیروگاه در مورد گزینش نوع سیستم خنک‌کن عبارتند از:
- میزان آب قابل دسترسی
- نزدیکی به دریاها، دریاچه‌ها
- درجه حرارت محیط
- سرعت باد
- رطوبت نسبی محیط
درجه حرارت متوسط محیط، اول تا هفتم فروردین سال 1391
سرعت باد در عرض یک ماه و هر روز 3 ساعت و برای فروردین سال ۱۳۹۱
پارامترهای تأثیرگذار از سیکل قدرت
عمده پارامترهایی که از سیکل قدرت بر روی سیستم خنک‌کن تأثیر می‌گذارد عبارتند از:
- تأثیر حرارت دفع شده از سیکل قدرت
- تأثیر فشار پشت توربین پارامترهای اقتصادی
بعد از بررسی پارامترهای اقلیمی و پارامترهای سیکل قدرت به بررسی پارامترهای اقتصادی موثر بر انتخاب سیستم خنک‌کن پرداخته خواهد شد. این پارامترها عبارتند از:
- هزینه‌های ساخت (سرمایه‌گذاری اولیه)
- هزینه‌های راهبری (بهره‌برداری و قطعات یدکی)
- قابلیت اطمینان سیستم
- بررسی امکان ساخت داخلی
بررسی اثرات تغییرات دما در نرم‌افزار ThermoFlow
امروزه شبیه‌سازی سیکل نیروگاه در بخش‌های مختلف صنعت برق و با اهداف مختلفی صورت می‌گیرد. این شبیه‌سازی‌ها ممکن است به منظور طراحی یک واحد پیش از ساخت و با تحلیل یک واحد پس از بهره‌برداری انجام پذیرد.
نرم‌افزار Thermoflow به عنوان معتبرترین و پرکاربردترین ابزار شبیه‌سازی، مراحل مختلف طراحی ترمودینامیکی، طراحی مهندسی تجهیزات و شبیه‌سازی در وضعیت خارج از طراحی را مدل‌سازی می‌کند.
این نرم‌افزار شامل چهار ماژول است که ماژول PEACE نرم‌افزار محاسبه مهندسی تجهیزات نیروگاه، تخمین هزینه‌های طراحی، ساخت، نصب و بهره‌برداری از نیروگاه را انجام می‌دهد.
در دوره شبیه‌سازی سیکل نیروگاه با استفاده از نرم‌افزار Thermoflow ابتدا مبانی عملکردی سیکل نیروگاه‌های گازی، سیکل ترکیبی و بخاری به صورت کاربردی مورد بررسی قرار می‌گیرد و همچنین روش‌های استخراج نتایج و گزارش‌گیری از نرم‌افزار و آنالیز حساسیت بر روی پارامترهای مختلف طراحی نیز ارائه می‌گردد.
روشی که ما در نرم‌افزار ThermoFlow بررسی کرده‌ایم، تأثیر پارامترهای جغرافیایی (دمای محیط بر فشار کندانسور) بر عملکرد سیستم خنک‌کن در سیکل ترکیبی نیروگاه یزد است که جزئیات آن در شکل‌های (4) و (5) دیده می‌شود.
شکل (4)- نقشه اتوکد نیروگاه سیکل ترکیبی با خنک‌کن ACC (Air cooling condenser)
شکل (5)- نقشه اتوکد نیروگاه سیکل ترکیبی با خنک‌کن Heller و اجزای تشکیل‌دهنده نیروگاه
در این روش نیروگاه یزد را در نرم‌افزار Thermo Flow مطابق شکل‌های (6) الى (9) معرفی و شبیه‌سازی کرده و از قسمت Edit وارد بخش (Active)Define “old” Macro Cases شده و در قسمت Set Values for Macro Cases دمای میانگین محیط را روزانه وارد کرده (یعنی در روز ۱ مارس میانگین دمای هوا در شهر یزد چقدر بوده است) سپس از نرم‌افزار Thermo flow، Run می‌گیریم پس از طریق Macro Cases قسمت Summary outputs را وارد کرده تا اطلاعات درخواستی ما درباره این نیروگاه در دسترس باشد.
شکل (6)- وارد نمودن اطلاعات نیروگاه مرحله 1
شکل (7)- وارد نمودن اطلاعات نیروگاه مرحله 2
شکل (8)- وارد نمودن اطلاعات نیروگاه مرحله 3
شکل (9)- وارد نمودن اطلاعات نیروگاه مرحله 4
نمودار (Run) گرفته‌شده از نرم‌افزار Thermo Flow برای January سال 2014 مطابق شکل (10) می‌باشد. برای سایر ماه‌های انتخابی نیز اثر دمای محیط روی فشار کندانسور آورده شده است.
شکل (10)- نمودار (Run) گرفته‌شده از نرم‌افزار Thermo Flow برای January سال 2014
شکل (11)- نمودار (Run) گرفته‌شده از نرم‌افزار Thermo Flow برای February سال 2014
شکل (12)- نمودار ( Run ) گرفته‌شده از نرم‌افزار Thermo Flow برای July سال 2014
اگر میانگین فشار کندانسور را در طول سال برای ماه‌های مختلف محاسبه و رسم نماییم شکل (13) را خواهیم داشت. ملاحظه می‌گردد در ماه‌های گرم سال به دلیل بالا رفتن فشار کندانسور راندمان نیروگاه کاهش می‌یابد. بر اساس نتایج به دست آمده توان خالص تولیدی در ماه‌های سرد سال حدود ۴۰۰ مگاوات و در ماه‌های گرم به ۳۳۵ مگاوات کاهش می‌یابد.
شکل (13)- متوسط فشار کندانسور در ماه‌های مختلف سال
