- 2006-10-05
- 474
- 210
دهه اخيرسرشار از توسعه توربينهاي گازي در اندازه و كارايي بوده است. شكي نيست كه درسالهاي آتي نيز اين كار ادامه مييابد. همچنين استفاده از سيكلهاي تركيبي، به خاطر بازيابي بهتر گرما، رو به فزوني است. با پيشرفتهاي انجام گرفته در توربينهاي گازي، بايد شكل سيكلهاي تركيبي نيز توسعه يابند تا تواناييهاي بازيابي گرما نيز بهتر شود. از اين رو، به سيستمهاي پيچيدهتر توجه ميشود. دراين مقاله سيكلهاي تركيبي مختلفي مورد بحث قرار ميگيرد. علاوه بر سيكلهاي تركيبي دو فشاره قديمي، به سيكلهاي سه فشاره نيز توجه ميشود. براي هر سيستم، مجموعهاي از متغيرهاي بهينه )مثل فشار بخار و غيره) ارايه ميشود. تاثير ريهيت در سيكلهاي دو وسه فشاره و فوق بحراني بررسي، و اثر تغيير پارامترهاي سيكل بخار، مثل افزايش دماي بخار به بيشتر از 570 درجه سانتيگراد در نظر گرفته ميشود. علاوه بر ديد ترموديناميكي، به تركيب و ترتيب خاص مولدهاي بخار نيز توجه ميشود.
امرزوه طرحهاي جديد توربينهاي گازي كه با دماي ورودي (TIT) بالاتر كار ميكنند، موجود است. استفاده از اين ماشينهاي جديد بازده سيكل تركيبي را افزايش ميدهد. زيرا با افزايش دماي ورودي به توربين گاز بازده و دماي خروجي از آن زيادتر ميشود و اين دو باعث افزايش بازده سيكل تركيبي ميشود.) افزايش دماي خروجي توربين گاز، باعث زياد شدن دماي بخار سوپرهيت تا 540 درجه سانتيگراد وحتي 570 درجه سانتيگراد ميشود. بازده سيكل بخار (سيكل رانكين) بستگي مستقيمي به دمياي سوپرهيت دارد. بنابراين ميتوان با افزايش دماي خروجي توربين گاز بازده كلي سيكل تركيبي را افزايش داد.
امرزوه طرحهاي جديد توربينهاي گازي كه با دماي ورودي (TIT) بالاتر كار ميكنند، موجود است. استفاده از اين ماشينهاي جديد بازده سيكل تركيبي را افزايش ميدهد. زيرا با افزايش دماي ورودي به توربين گاز بازده و دماي خروجي از آن زيادتر ميشود و اين دو باعث افزايش بازده سيكل تركيبي ميشود.) افزايش دماي خروجي توربين گاز، باعث زياد شدن دماي بخار سوپرهيت تا 540 درجه سانتيگراد وحتي 570 درجه سانتيگراد ميشود. بازده سيكل بخار (سيكل رانكين) بستگي مستقيمي به دمياي سوپرهيت دارد. بنابراين ميتوان با افزايش دماي خروجي توربين گاز بازده كلي سيكل تركيبي را افزايش داد.
همچنين با آرايش مناسب در سيكل تركيبي و كاربرد ريهيتر، ميتوان استفاده بهتري از اين دماي زياد در خروجي توربين گاز كرد. در اين مقاله شايستگيهاي نسبي حالتهاي مختلف سيكلهاي تركيبي، از سيستم دو فشاره تا سيستمهاي سه فشاره، با ريهيتر و شرايط فوق بحراني براي بخار، مورد بحث قرار ميگيرند.
توربين گاز
مشخصات توربين گازي كه در اين مطالعه در نظر گرفته شده در جدول 1 آمده است. در سيكل تركيبي، اين توربين با گاز طبيعي كار ميكند. افت فشار در ورودي كمپرسور mbar 10 و در خروجي توربين mbar25 است. همانطور كه در جدول 1 ملاحظه ميشود، اين افتهاي فشار، عملكرد سيستم توربين گاز را از حالت طراحي دور ميكند.
مشخصات سيكل تركيبي
حالتهاي مختلفي براي سيكل تركيبي در نظر گرفته شده است ولي همگي سيماي مشتركي دارند. در جدول 2 مشخصات سيكل آورده شده است. شكل 1 نمايي از سيكل تركيبي دو فشاره را نشان ميدهد. وظيفه توليد قدرت بر عهده يك توربين بخار (فشار بالا HP و فشار پايين LP( و دو سيستم توربين گاز است.
مولد بخار بازياب گرما (HRSG) همان فصل مشترك سيكل گازي و بخار است. در HRSG از انرژي حرارتي موجود در جريان خروجي از توربين گاز براي تبخير، سوپرهيت و ريهيت كردن بخار استفاده ميشود. يك كندانسور و يك هوازدا نيز در شكل ديده ميشوند. اين مبدلهاي حرارتي به صورت سوپرهيتر و ريهيتر و يا تبخيركننده عمل ميكنند. تبخيركنندهها، به صورت يك ديگ بخار گردشي با درام در ارتباطند.
بهينهسازي
تمام سيكلهاي ارايه شده دراين مقاله، براي حداكثر بازده نيروگاه بهينه شدهاند. بهينهسازي تابع قيود مختلفي است كه از ديد عملي مطرح ميشوند. اين قيودشامل ثابت نگه داشتن يا محدود كردن بعضي پارامترهاست. براي مطالعه حاضر، اين قيود عبارتاند از:
- حداكثر دماي بخار فشار بالا (HP) ريهيت و سوپرهيت 570 درجه سانتيگراد
- حداقل دماي نقطه پينچ 10 درجه سانتيگراد
- حداقل اختلاف دماي بخار و گاز: 20 درجه سانتيگراد
اين دو مورد آخري باعث ميشوند كه مساحت سطح مبدلهاي حرارتي در حد معقولي بماند.
- حداقل دماي دودكش: 75 درجه سانتيگراد
اين مقدار بستگي به مقدار سولفور موجود در سوخت دارد. مقدار 75 درجه سانتيگراد مربوط به گاز طبيعي عاري از سولفور است. اين دما به مقدار دماي نقطه شبنم برميگردد كه وجود سولفور در محصولات احتراق مساله خوردگي را در حضور آب تشديد ميكند.
- حداقل كيفيت بخار در خروجي توربين بخار LP: 0/88
اين مقدار نسبت جرم بخار موجود در واحد جرم مخلوط بخارو مايع است. كيفيت بخار در خروجي توربين بخار LP معمولاً بالاتر از اين مقدار نگه داشته ميشود. براي مقادير كمتر از اين، بايد تجهيزات خاصي را براي تسخير قطرات آب تعبيه كرد تا خطرات ناشي از برخورد اين قطرات با سطوح پرههاي توربين كاهش يابد.
- حداكثر فشار كاري براي سيكلهاي غيربحراني: bar160
اين مقدار مربوط به ديگهاي بخار (يا تبخيركننده) از نوع گردشي است. براي حالتهاي فوق بحراني كه از ديگهاي بخار يك بار عبور استفاده ميشود، اين مقدار بيشتر خواهد بود.
فرايند بهينهسازي طوري انجام ميشود كه همه قيدهاي ذكر شده ارضا شوند. بهينهسازي توسط نرمافزارهاي كامپيوتري GTCALC و CCCALC كه به ترتيب براي تحليل توربين گاز و سيكل تركيبي اختصاص دارد، انجام ميگيرد. اين نرمافزارهاي كامپيوتري را دانشگاه ليگ و صنايع مكانيك كوكريل در بلژيك توسعه دادهاند.
حالتهاي در نظر گرفته شده
هفت شكل مختلف سيكل تركيبي در اين مقاله بررسي شدهاند، عبارتند از:
- سيكل بدون ريهيت دو فشاره (P2)
- سيكل بدون ريهيت سه فشاره (P3)
- سكيل با ريهيت دو فشاره (PR2)
- سيكل با كمي ريهيت سه فشاره (PM3)
- سيكل با ريهيت سهفشاره (PR3)
- سيكل فوق بحراني ريهيت دو فشاره (PRS2)
- سيكل فوق بحراني ريهيت سه فشاره (PRS3)
- در سيكل PM3 فقط قسمتي از بخار فشار متوسط (IP) ريهيت ميشود. شكل 2 نمايي از HRSG مربوط به اين سيكل را نشان ميدهد.
توربين گاز
مشخصات توربين گازي كه در اين مطالعه در نظر گرفته شده در جدول 1 آمده است. در سيكل تركيبي، اين توربين با گاز طبيعي كار ميكند. افت فشار در ورودي كمپرسور mbar 10 و در خروجي توربين mbar25 است. همانطور كه در جدول 1 ملاحظه ميشود، اين افتهاي فشار، عملكرد سيستم توربين گاز را از حالت طراحي دور ميكند.
مشخصات سيكل تركيبي
حالتهاي مختلفي براي سيكل تركيبي در نظر گرفته شده است ولي همگي سيماي مشتركي دارند. در جدول 2 مشخصات سيكل آورده شده است. شكل 1 نمايي از سيكل تركيبي دو فشاره را نشان ميدهد. وظيفه توليد قدرت بر عهده يك توربين بخار (فشار بالا HP و فشار پايين LP( و دو سيستم توربين گاز است.
مولد بخار بازياب گرما (HRSG) همان فصل مشترك سيكل گازي و بخار است. در HRSG از انرژي حرارتي موجود در جريان خروجي از توربين گاز براي تبخير، سوپرهيت و ريهيت كردن بخار استفاده ميشود. يك كندانسور و يك هوازدا نيز در شكل ديده ميشوند. اين مبدلهاي حرارتي به صورت سوپرهيتر و ريهيتر و يا تبخيركننده عمل ميكنند. تبخيركنندهها، به صورت يك ديگ بخار گردشي با درام در ارتباطند.
بهينهسازي
تمام سيكلهاي ارايه شده دراين مقاله، براي حداكثر بازده نيروگاه بهينه شدهاند. بهينهسازي تابع قيود مختلفي است كه از ديد عملي مطرح ميشوند. اين قيودشامل ثابت نگه داشتن يا محدود كردن بعضي پارامترهاست. براي مطالعه حاضر، اين قيود عبارتاند از:
- حداكثر دماي بخار فشار بالا (HP) ريهيت و سوپرهيت 570 درجه سانتيگراد
- حداقل دماي نقطه پينچ 10 درجه سانتيگراد
- حداقل اختلاف دماي بخار و گاز: 20 درجه سانتيگراد
اين دو مورد آخري باعث ميشوند كه مساحت سطح مبدلهاي حرارتي در حد معقولي بماند.
- حداقل دماي دودكش: 75 درجه سانتيگراد
اين مقدار بستگي به مقدار سولفور موجود در سوخت دارد. مقدار 75 درجه سانتيگراد مربوط به گاز طبيعي عاري از سولفور است. اين دما به مقدار دماي نقطه شبنم برميگردد كه وجود سولفور در محصولات احتراق مساله خوردگي را در حضور آب تشديد ميكند.
- حداقل كيفيت بخار در خروجي توربين بخار LP: 0/88
اين مقدار نسبت جرم بخار موجود در واحد جرم مخلوط بخارو مايع است. كيفيت بخار در خروجي توربين بخار LP معمولاً بالاتر از اين مقدار نگه داشته ميشود. براي مقادير كمتر از اين، بايد تجهيزات خاصي را براي تسخير قطرات آب تعبيه كرد تا خطرات ناشي از برخورد اين قطرات با سطوح پرههاي توربين كاهش يابد.
- حداكثر فشار كاري براي سيكلهاي غيربحراني: bar160
اين مقدار مربوط به ديگهاي بخار (يا تبخيركننده) از نوع گردشي است. براي حالتهاي فوق بحراني كه از ديگهاي بخار يك بار عبور استفاده ميشود، اين مقدار بيشتر خواهد بود.
فرايند بهينهسازي طوري انجام ميشود كه همه قيدهاي ذكر شده ارضا شوند. بهينهسازي توسط نرمافزارهاي كامپيوتري GTCALC و CCCALC كه به ترتيب براي تحليل توربين گاز و سيكل تركيبي اختصاص دارد، انجام ميگيرد. اين نرمافزارهاي كامپيوتري را دانشگاه ليگ و صنايع مكانيك كوكريل در بلژيك توسعه دادهاند.
حالتهاي در نظر گرفته شده
هفت شكل مختلف سيكل تركيبي در اين مقاله بررسي شدهاند، عبارتند از:
- سيكل بدون ريهيت دو فشاره (P2)
- سيكل بدون ريهيت سه فشاره (P3)
- سكيل با ريهيت دو فشاره (PR2)
- سيكل با كمي ريهيت سه فشاره (PM3)
- سيكل با ريهيت سهفشاره (PR3)
- سيكل فوق بحراني ريهيت دو فشاره (PRS2)
- سيكل فوق بحراني ريهيت سه فشاره (PRS3)
- در سيكل PM3 فقط قسمتي از بخار فشار متوسط (IP) ريهيت ميشود. شكل 2 نمايي از HRSG مربوط به اين سيكل را نشان ميدهد.