کاربرد آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی در بهینه‌سازی انرژی و آلاینده‌ها در نیروگاه‌های حرارتی بخار

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، بخش علوم حرارتی و سیستم‌های انرژی، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم، قم، ایران*(مسوول مکاتبات)

10.22034/jest.2020.25867.3486

چکیده

زمینه و هدف: توانایی تکنولوژی پینچ در ارایه یک روش کلی در طراحی و تحلیل فرایندها می‌باشد، ولی این تکنولوژی در تحلیل سیستم‌هایی که علاوه بر حرارت شامل توان نیز هستند ناتوان است. از طرف دیگر، آنالیز اگزرژی علاوه بر توانایی تحلیل سیستم‌های شامل حرارت و توان، این توانایی را دارد که قسمت­های غیرموثر سیستم را شناسایی و بیش­ترین اصلاحات ممکن سیستم را تعیین کند.
روش بررسی: محدودیت اصلی آنالیز اگزرژی عدم ارایه یک روش جامع در طراحی سیستم است. آنالیز ترکیبی پنچ و اگزرژی[1]، که از ترکیب دو روش ذکر شده به­دست می‌آید با استفاده از توانایی هر دو روش، محدودیت‌های هر دو روش را رفع می‌کند. در این مقاله سعی شده است، با معرفی نیروگاه رامین اهواز به­عنوان نیروگاه مورد مطالعه، با استفاده از روش CPEA اصلاحات موثر شناسایی و مورد بررسی قرار گیرد.  
یافته­ها:سه سناریو اصلاحی پیشنهادی  به­منظور بهینه­سازی نیروگاه مورد نظر استفاده شده است که عبارتند از :1-نزدیک کردن پینچ­ها، 2-افزایش بخار در بویلر 3-کاهش فشار کندانسور.
بحث و نتیجه­گیری: نتایج نشان می­دهد امکان افزایش بازده نیروگاه مورد مطالعه در حدود 7/1 درصد افزایش با به­کار بردن این روش وجود دارد. هم­چنین میزان مصرف سوخت1569متر مکعب در ساعت و تولید گازهای خروجی در حدود 7/1 درصد (معادل 20 تن بر ساعت) کاهش می­یابد. لذا تولید آلاینده­ها به نحو چشم­گیری کاهش می­یابد. برای شبیه­سازی نیروگاه از نرم افزار(Steam Pro) Thermoflow و برای تحلیل CPEA از نرم افزار Aspen Pinch استفاده شده است.



2- Combined pinch and Exergy Analysis (CPEA)

کلیدواژه‌ها

موضوعات


یادداشت پژوهشی

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره نه، آذر ماه 98

                                        

 

کاربرد آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی در بهینه‌سازیانرژی وآلاینده­ها درنیروگاه‌های حرارتی بخار

 

 

محمد­حسن خوشگفتارمنش [1]

m.khoshgoftar@qom.ac.ir

 

تاریخ دریافت:16/1/96

تاریخ پذیرش:20/10/96

 

چکیده

زمینه و هدف: توانایی تکنولوژی پینچ در ارایه یک روش کلی در طراحی و تحلیل فرایندها می‌باشد، ولی این تکنولوژی در تحلیل سیستم‌هایی که علاوه بر حرارت شامل توان نیز هستند ناتوان است. از طرف دیگر، آنالیز اگزرژی علاوه بر توانایی تحلیل سیستم‌های شامل حرارت و توان، این توانایی را دارد که قسمت­های غیرموثر سیستم را شناسایی و بیش­ترین اصلاحات ممکن سیستم را تعیین کند.

روش بررسی: محدودیت اصلی آنالیز اگزرژی عدم ارایه یک روش جامع در طراحی سیستم است. آنالیز ترکیبی پنچ و اگزرژی[2]، که از ترکیب دو روش ذکر شده به­دست می‌آید با استفاده از توانایی هر دو روش، محدودیت‌های هر دو روش را رفع می‌کند. در این مقاله سعی شده است، با معرفی نیروگاه رامین اهواز به­عنوان نیروگاه مورد مطالعه، با استفاده از روش CPEA اصلاحات موثر شناسایی و مورد بررسی قرار گیرد.  

یافته­ها:سه سناریو اصلاحی پیشنهادی  به­منظور بهینه­سازی نیروگاه مورد نظر استفاده شده است که عبارتند از :1-نزدیک کردن پینچ­ها، 2-افزایش بخار در بویلر 3-کاهش فشار کندانسور.

بحث و نتیجه­گیری: نتایج نشان می­دهد امکان افزایش بازده نیروگاه مورد مطالعه در حدود 7/1 درصد افزایش با به­کار بردن این روش وجود دارد. هم­چنین میزان مصرف سوخت1569متر مکعب در ساعت و تولید گازهای خروجی در حدود 7/1 درصد (معادل 20 تن بر ساعت) کاهش می­یابد. لذا تولید آلاینده­ها به نحو چشم­گیری کاهش می­یابد. برای شبیه­سازی نیروگاه از نرم افزار(Steam Pro) Thermoflow و برای تحلیل CPEA از نرم افزار Aspen Pinch استفاده شده است.

 

واژه‌های کلیدی: تحلیل ترکیبی پینچ و اگسرژی،  بهینه­سازی، نیروگاه بخار، آلاینده­ها.  

 

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.9,November, 2019

 

 

 

 

 


Application of Combined Pinch and Exergy Analysis for Energy and Emissions Optimization of Steam Power Plants

 

Mohammad Hasan Khoshgoftar Manesh [3]*

m.khoshgoftar@qom.ac.ir

 

 

Admission Date:January 10, 2018

 

Date Received: April 5, 2017

 

Abstract

Background and Objective: The ability of Pinch Technology is related to design and analysis of processes; however, it can’t be used individually for heat and power system. In the other words, exergy analysis can apply for evaluation of heat and power systems. It can determine unavoidable parts of energy systems and specify the maximum potential of optimization.

Method: The main limitation of exergy analysis is the lake of general and clear method for design of system. The combined pinch and exergy analysis that using the advantages of both methods satisfy the limitations. In this paper, the RAMIN Ahvaz thermal power plant as a case study is defined. Furthermore, using CPEA the potential of optimization has been determined and evaluated.

Findings: Three proposed modification scenarios have been used for optimization of Power Plant as follows: 1. approaching pinch temperatures 2. Increasing steam in boiler and 3.Decreasing pressure of condenser.

Discussion and Conclusion: With employing both methods the efficiency of power plant has been increased by 1.7%. In addition, the fuel consumption is about 1569 m3/h and flue gases have been reduced by 1.7% (20t/h). So, the emissions have been reduced by 1.7%. The Thermoflow (Steam Pro) software has been applied for simulation of case study. In addition, Aspen Pinch Software has been employed for CPEA.

 

Keywords: Combined Pinch & Exergy Analysis, Optimization, Steam Power Plant, Emission.

 

 

 

مقدمه


آنالیز اگزرژی بر پایه قانون اول و دوم ترمودینامیک این امکان را فراهم می‌آورد که روش مطلوب تحلیل سیستم‌های انرژی و هم­چنین شناخت واضح سطوح انرژی و فرایندهای نامطلوب ترمودینامیکی یک سیستم مشخص گردد. آنالیز اگزرژی شامل دو مرحله اساسی می‌باشد: مرحله اول، شناسایی و بررسی فرایندهای نامطلوب ترمودینامیکی سیستم بر پایه تعیین اتلافات اگزرژی، مرحله دوم، تعیین بیش­ترین اصلاحات ممکن در سیستم بر پایه مفاهیم اگزرژی اجتناب‌ناپذیر و اگزرژی اجتناب ناپذیر )1(. در ادامه تکنولوژی پینچ می‌تواند اطلاعات سیستم را به­صورت دیاگرام‌‌های ساده، نمودار ترکیبی[4]، و نمودار ترکیبی جامع[5]، نمایش دهد‍) 2(. نمودار CC میزان انرژی خارجی مورد نیاز (بار حرارتی) و هزینه سرمایه‌گذاری را هدف­گذاری می‌کند و از نمودار GCC برای انتخاب مناسب، تعیین میزان و دمای مناسب بار حرارتی استفاده می‌شود. در نمودارهای GCC,CC محور افقی آنتالپی و محور عمودی دما می‌باشد. تکنولوژی پینچ با استفاده از مفهوم انتگراسیون فرایند و هدف­گذاری قبل از طراحی، یک نمای کلی ترمودینامیکی از جریان‌های درون فرایند را ارایه می‌دهد) 3(. با استفاده از مفهوم آنالیز اگزرژی در تکنولوژی پینچ، روش جدید CPEA، توسعه داده شده است. ابزارهای پایه که در CPEA به­کار می‌روند و اهمیت زیادی دارند عبارتند از: نمودار ترکیبی اگزرژی[6]، و نمودار دوم و مهم دیگر نمودار ترکیبی جامع اگزرژی[7] است. در این نمودار محور عمودی ضریب کارنو و محور افقی آنتالپی می‌باشد. نمودارهای EGCC,ECC تغییرات در شرایط اجزا و تاثیر این تغییرات را بر روی کل سیستم، به صورت گرافیکی نمایش می‌دهند. نمودارهای ECC,EGCC هنوز توانایی نمودارهای GCC,CC در تشریح تاثیرات متقابل بین اجزا مختلف سیستم را دارا می‌باشند و تاثیر هر تغییری در اجزا سیستم بر روی کل سیستم در نمودارهای EGCC,ECC به­راحتی قابل مشاهده است. مساحت محصور بین خطوط جریان‌های سرد و گرم میزان اتلافات‌‌ اگزرژی ناشی از انتقال حرارت بین جریان‌های سرد و گرم را نشان می‌دهد، در ادامه با معرفی نیروگاه مورد مطالعه نحوه استفاده از این نمودارها و توسعه آن­ها برای تشریح دقیق مشخصه‌های ترمودینامیکی نیروگاه توضیح داده خواهد شد (4). لینهف و دهل[8] (5) (1991) از آنالیز ترکیبی پینچ و اگسرژی برای تحلیل سیستم­های خنک­کاری دما پایین استفاده کردند. آن­ها با استفاده از این روش، کار محوری مورد نیاز را 831/3 مگاوات کاهش دادند. هم­چنین این دو نفر (1995) روش ترکیبی پینچ و اگسرژی را برای طراحی یک سیکل بسته توربین گازی مورد بررسی قرار دادند (6). ژنگ و دهل[9] (1995) (6) تحلیل توسعه یافته ترکیبی پینچ و اگسرژی را در مورد سیکل ترکیبی توربین بخار و توربین گازی سیکل بسته اعمال کردند و به افزایش بازده سیکل در حدود 82/0 درصد دست پیدا کردند. همچنین ژنگ و دهل (1995)، (1996) (6)، (7) از این روش برای تحلیل و بهبود راندمان چند نمونه نیروگاه­های حرارتی دیگر استفاده کردند. همچنین ژنگ و دهل (1996) رویکردی مفهومی برای طراحی نیروگاه­های حرارتی ارایه نمودند (7). فاورات و استاین[10] (1996) (8) تکنولوژی پینچ را با استفاده از فاکتورهای اگزرژی توسعه دادند و از آن در تحلیل سیستم‌های تولید هم­زمان و پمپ‌های حرارتی استفاده نمودند. لاواریک و همکاران[11] (2003) (9) به­کمک تکنولوژی پینچ کاهش تولید آنتروپی را در یک فرآیند تولید متانول مورد بررسی قرار دادند. مانین و ژو[12] (1998) (10)، (11) بررسی‌های اقتصادی را همراه با آنالیز ترکیبی پینچ و اگسرژی در مورد یک سیکل ترکیبی تولید توان اعمال کردند. نتیجه بهینه‌سازی آن­ها افزایش بازده سیکل مورد مطالعه از 02/45 درصد تا 85/49 درصد با در نظر گرفتن ملاحظات اقتصادی بود. سورین و پاریس[13] (12) (1999) از آنالیز ترکیبی پینچ و اگسرژی جهت مطالعه و شناسائی پتانسیل­های بهینه­سازی در یک واحد تولید هیدروژن استفاده کردند و توانستند بازده واحد را از 7/55 درصد تا 6/56 درصد افزایش دهند. آن­ها نشان دادند که آنالیز اگزرژی با کمک پینچ می­تواند تغییرات مطلوب را با کم­ترین تغییر در فرآیند، کم­ترین اصلاح تجهیزات و با حجم محاسبات کم­تر پیدا کند. آنانتارمن و گاندرشن[14] (14) (2006) با استفاده از ترکیب آنالیز اگزرژی و پینچ یک واحد متانول را بررسی و فرصت­های بهینه­سازی آن­را شناسایی کردند. آن­ها در این پ‍ژوهش رویکردی جدید برای بررسی واحدهای فرآیندی با استفاده از روش توسعه یافته پینچ و اگسرژی ارایه نمودند. گاندرشن و همکاران (2007) (15) تحلیل توسعه یافته پینچ-اگسرژی با درنظر گرفتن اگسرژی فشاری برای طراحی بهینه سیستم­های تبرید پیشنهاد دادند. در این روش قواعد ابتکاری و مفهوم جدیدی از پینج به­منظور بهینه­سازی ارایه شده است. خوش­گفتارمنش و همکاران (2007) (16) با ارایه ضرایب EDL و ECDL تحلیل ترمواکونمیک را به­صورت شماتیک به­منظور بررسی عملکرد یک نیروگاه اتمی 1000 مگاواتی نمایش داده­اند. هم­چنین در این مقاله ضرایبی  جدید به­منظور ترسیم نمودارهای ترکیبی پینچ و اگسرژی ارایه گردید. اتایی و یو[15](2010) (17) به­کمک تحیل ترکیبی پینچ و اگسرژی یک نیروگاه 320 مگاواتی را تحلیل و بهینه­سازی نمودند. قناد زاده صادق زاده[16] (2017) (19،18) از تکنیک پینچ و اگسرژی به­منظور بهبود راندمان و کاهش آلاینده­ها در فرآیند تولید اکسید اتیلن استفاده کردند.


معرفی نیروگاه مورد مطالعه

شکل 1 مدل شبیه‌سازی شده نیروگاه رامین اهواز رانشان می‌دهد که به­عنوان نیروگاه مورد مطالعه انتخاب شده است. سیکل نیروگاه رامین اهواز سیکل توربین بخار می‌باشد. این نیروگاه شامل یک واحد بازگرمایش با هشت مرحله زیرکش از توربین می‌باشد. این هشت زیرکش، بخار مورد نیاز برای پیش­گرم کردن آب تغذیه را فراهم می‌آورند. هشت مرحله پیش­گرم کردن آب تغذیه شامل یک هوازدا، چهارعدد پیش­گرم­کن فشار ضعیف، یک عدد پیش­گرم­کن فشار متوسط و دو عدد پیش­گرم­کن فشار قوی می‌باشد. سوخت اصلی نیروگاه، نفت کوره می‌باشد. شبیه­سازی نیروگاه رامین اهواز با استفاده از نرم‌افزار Thermoflow (Steam Pro) 13.0 که یک نرم‌افزار تخصصی در زمینه شبیه­سازی نیروگاه­ها می‌باشد، صورت گرفته است. اطلاعات و مشخصات اصلی نیروگاه شبیه­سازی شده در جدول1 ‌آمده است. نوع بویلر، نوع و چیدمان شبکه توربین­های بخار و هم­چنین شبکه مبدل­های حرارتی و کندانسور مربوطه به عنوان ورودی تجهیزات در نرم افزار Steam Pro وارد می­شود. همچنین شرایط آب و هوایی، نوع سوخت و میزان توان به عنوان ورودی به نرم­افزار داده شده است.

 

 

شکل1- شماتیک سیکل نیروگاه مشابه با رامین اهواز شبیه سازی شده در محیط Thermoflow (Steam Pro)

Figure 1. Schematic of Power Plant Cycle same as RAMIN Ahwaz simulation in (Steam Pro) Thermoflow

 

جدول 1- مشخصات اصلی نیروگاه شبیه­سازی شده

Table 1. Main specification of simulation power plant

پارامتر

اطلاعات نیروگاه

نتایج شبیه سازی

توان خالص خروجی

315 MW

315 MW

دمای بخار سوپر هیت شده

560 C

560 C

فشار بخار سوپرهیت شده

5/178 bar

5/178 bar

دبی بخار سوپر هیت شده

1/315 kg/s

1/315 kg/s

تعداد بازگرمایش بخار

1

1

تعداد پیش­گرم­کن‌ها (با دیاراتور)

8

8

فشار کندانسور

05/0 bar

05/0 bar

اختلاف دمای اولیه پیش­گرم­کن­ها

6/5 c

6/5 c

افت فشار در زیرکش‌ها

05/0 %

% 05/0

افت فشار در زیرکش به دیاراتور

0851/0  %

0851/0 %

افت فشار در بازگرمایش

9/9 %

9/9 %

مصرف سوخت

9/14 kg/s

9/14 kg/s

بازده آیزونتروپیک توربین فشار قوی 1

81 %

81 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار قوی 2

88 %

88 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار متوسط 1

86 %

86 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار متوسط 2

87 %

87 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار ضعیف 1

88 %

88 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار ضعیف 2

89 %

89 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار ضعیف 3

87 %

87 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار ضعیف 4

87 %

87 %

بازده آیزونتروپیک توربین فشار ضعیف 5

87  %

87 %

 

سوخت منبع اولیه انرژی در نیروگاه بخار بوده که پس از احتراق در کوره، اگزرژی شیمیایی سوخت آزاد می‌شود. قسمتی از این اگزرژی اولیه، به­علت ناقص بودن فرایند احتراق، پیش­گرم­کن هوا و اتلافات دودکش تلف می‌شود. اگزرژی باقی­مانده به سیکل بخار داده می‌شود، مقداری از این اگزرژی نیز حین فرایند انتقال حرارت بین محصولات احتراق و بخار تلف می‌گردد. در درون سیکل بخار، سیستم پیش­گرم­کن‌های آب تغذیه که وظیفه بالا بردن دمای آب تغذیه ورودی به بویلر با استفاده از بخار زیرکش شده از توربین‌ها را بر عهده دارند نیز مقداری اگزرژی را حین انتقال حرارت تلف می‌کنند. در کندانسور نیز به علت تبادل حرارت با یک منبع خارجی مقداری اتلافات اگزرژی داریم (5). کوره، سیستم پیش­گرم­کن‌ها و کندانسور، شبکه مبدل‌های حرارتی[17] نیروگاه بخار را تشکیل می‌دهند. باقی­مانده اگزرژی داده شده به سیکل پس از اتلاف اگزرژی در HEN تحویل سیستم توربین برای تولید توان می‌گردد. بر طبق رابطه 1 مصرف سوخت ، HEN و سیستم توربین به هم مربوط می‌گردند و تغییر در هر کدام باعث تغییر دردوتای دیگر می‌شود (3).

(1)

∆EXFUEL= EX_ Poewr+σTOHEN

(2)

σTOHEN= σTOF+σTOP+σTOC

∆EXFUEL  اگزرژی سوخت، EX_ Poewr اگزرژی تحویلی به سیستم توربین، σTOHEN اتلافات اگزرژی در HEN

σTOF اتلافات اگزرژی در کوره، σTOP اتلافات اگزرژی در پیش­گرم­کن‌ها، σTOC اتلافات اگزرژی در کندانسور برای رسیدن به تشریح ترمودینامیکی نیروگاه و تعیین تاثیرات بین این سه قسمت اصلی بر روی هم­دیگر یک نمودار جدید به نام نمودار ترکیبی پینچ و اگزرژی، معرفی می‌گردد. این نمودار در بخش بعدی مورد بررسی بیش­تر قرار خواهد گرفت.

روش بررسی

تحلیل پینچ روش عامی برای هدف­گذاری و طراحی فرآیندهای شیمیایی و حرارتی می­باشد. منحنی­های CC و GCC دو ابزار اساسی در تحلیل پینچ می­باشند، که در آن آنتالپی نسبت به دما رسم می­شود. انرژی­های بررسی شده در دو نمودار CC و GCC فقط بارهای حرارتی هستند. این نمودارها نمی­توانند برای تحلیل نیروگاه­های حرارتی استفاده شود. برای بحث درباره سیستم­هایی که حرارت و توان را در بر­می­گیرند، مفاهیم CC و GCC بسط داده می­شوند. همان­طور که در شکل2 نشان داده شده، منحنی CC برای یک سیستم انتقال حرارت به منحنی­های ECC و EGCC تبدیل شده است.

 

شکل 2- انتقال اگسرژی از CC به ECC و EGCC(2)

Figure 2. Exergy transfer from CC to ECC and EGCC (2)

سطوح هاشور خورده اتلاف اگسرژی فرآیند انتقال حرارت را نشان می­دهد. با ترکیب تحلیل پینچ و اگسرژی، پیش­بینی کار محوری تولیدی برای سیستم­های توان با دقت خوبی ممکن می­شود. این روش ترکیبی به­منظور هدف­گذاری کار محوری توسعه داده می­شود. این روش فقط تحلیل فرآیندهای انتقال حرارت که روی نمودار H-ή ترسیم می­شوند در­ برمی­گیرد و فرآیندهایی که با تغییرات فشار یا ترکیب همراه است توسط این روش قابل تحلیل نیست. به عبارت دیگر نمودار  H- ή  فرآیندهای اصلی نیروگاه مانند توربین و کمپرسور را نمی­تواند تحلیل کند. جهت بر طرف کردن این محدودیت، تحلیل ترکیبی پینچ و اگسرژی با مطرح کردن نمودار جدیدی با نام   H- ή  توسعه یافته معرفی می­شود. این روش تمام سیستم را در برگرفته و اطلاعات هدف­گذاری برای اصلاحات را فراهم می­نماید. ضمن این­که جهت­های اصلی و اصلاحات و بهبود بخش احتمالی جهت توسعه سیستم به­طور موثری مشخص می­شود. برای به­دست آوردن پتانسیل حداکثر صرفه­جویی که برای هر اصلاحی قابل محاسبه است، اتلافات اگسرژی به دو قسمت اجتناب­پذیر و قابل جلوگیری تقسیم می­شوند. اتلافات اگسرژی اجتناب­ناپذیر به­عنوان حداقل اتلاف اگسرژی که نمی­توان با در نظر گرفتن محدودیت­های تکنیکی و اقتصادی از آن در یک فرآیند جلوگیری به­عمل آورد تعریف می­شود. اتلاف قابل جلوگیری حداکثر پتانسیل عملی برای توسعه فرآیند را ارایه می­دهد. با کمک این روش سیستم تحلیل شده و دلایل عمده معایب آن مشخص می­شود. سپس اصلاحات احتمالی و حداکثر پتانسیل عملی این اصلاحات با تحلیل اتلافات قابل جلوگیری به­وجود آمده در تجهیزات و فرآیندهای مختلف به­دست می­آید (2،15).   

یافته­ها

CPER نیروگاه مورد مطالعه

برای رسم CPER نیروگاه مورد مطالعه، اطلاعات پایه برای جریان‌های سرد و گرم نیروگاه استخراج می‌گردد. در سیکل بخار جریان‌های گرم عبارتند از: جریان‌های زیرکش و بخار عبوری از کندانسور و جریان‌های سرد عبارتند از: جریان‌های آب تغذیه که نیاز به گرم شدن دارند و بخار عبوری از ری‌هیتر می‌باشند. اطلاعات جریان‌های گرم و سرد نیروگاه مورد مطالعه شامل دماهی ورودی و خروجی‌ به همراه تغییرات آنتالپی آن­ها در جدول 2 آمده است. با توجه به این­که بار حرارتی گرم خارجی مورد نیاز سیکل برابر817525 کیلووات است کم­ترین اختلاف دمای مجاز محاسبه شده برای سیستم برابر 23/3 درجه سانتی­گراد می‌باشد. با دردست داشتن اطلاعات جریان‌ها و کم­ترین اختلاف دمای مجاز، نمودارهایGCC,CC نیروگاه رسم می‌شود که به ترتیب در شکل‌های 3و4 نشان داده شده است. میزان بار حرارتی گرم و سرد مورد نیاز در شکل‌های 3و4 مشخص است.

 

 

 

جدول 2-جریان‌های گرم و سرد نیروگاه مورد مطالعه

Table 2. Hot and cold stream related to Power Plant study

             نام جریان

Duty (Kw)

Ttarg (C)

Tsupp (C)

 Stream  1

314/9491

38/281

16/395

Stream 2

98/38523

38/280

38/281

Stream 3

91/13832

24/163

38/280

Stream 4

313/6869

65/274

94/321

Stream 5

1/52318

65/246

65/247

Stream 6

29/11604

24/163

65/246

Stream 7

839/6356

2/196

38/415

Stream 8

41/24729

2/195

2/196

Stream 9

979/1837

24/163

2/195

  Stream 10

156/4032

24/163

65/323

     Stream     11

48/23874

24/162

24/163

Stream 12

61/2313

4/138

39/244

 Stream  13

1/22197

4/137

4/138

Stream 14

256/4578

1/33

4/137

Stream 15

912/1081

5/112

93/164

  Stream   16

3/22452

5/111

5/112

Stream 17

33/3366

1/33

5/111

 Stream  18

45/21113

38/86

38/87

Stream 19

392/2049

1/33

38/86

Stream 20

62/19522

04/60

04/61

Stream 21

753/1010

1/33

04/60

Stream 22

3/129582

24/163

1/33

Stream 23

1/162935

47/280

94/166

Stream 24

3/155804

3/356

47/280

Stream 25

5/249398

3/357

3/356

Stream  26

2/272221

538

3/375

Stream  27

6/131940

538

2/323

Stream 28

2/433750

1/33

1/34

 

 

 

شکل3-نمودار CC نیروگاه رامین اهواز در حالت مبنا

Figure 3. CC curve of RAMIN Power Plant in base case

 

 

 

شکل4-  نمودار GCC نیروگاه رامین اهواز در حالت مبنا

Figure 4. GCC curve of RAMIN Power Plant in base case

 

 

با استفاده از نمودارهای GCC,CC می‌­توانیم نمودارهای EGCC,ECC را رسم کنیم. شکل 5، نمودار ECC نیروگاه در حالت مبنا را نشان می‌دهد. در شکل 5 سطح هاشور خورده اتلافات اگزرژی ناشی از انتقال حرارت در پیش‌­گرم­کن‌های آب تغذیه را نشان می‌دهد که برابر5560 کیلووات می‌باشد. شکل 6، نمودار EGCC نیروگاه در حالت مبنا را نشان می‌دهد. در شکل6 سطح هاشور­خورده، اگزرژی که توسط بخار سوپرهیت‌شده تحویل سیستم توربین می‌شود را مشخص می‌کند، که برابر 360510 کیلووات می‌باشد. ولی این نمودارها نحوه رسیدن اگزرژی سوخت و توزیع کامل اگزرژی در درون سیستم را نشان نمی‌دهند پس به توسعه این نمودارها می‌پردازیم. بار حرارتی گرم مورد استفاده در نیروگاه محصولات احتراق و بار حرارتی سرد مورد استفاده در نیروگاه محصولات احتراق و بار حرارتی سرد مورد استفاده در نیروگاه، آب خنک­کن می‌باشد. با وارد کردن نمودار ترکیبی اگزرژی محصولات احتراق[18] و هم­چنین نمودار ترکیبی اگزرژی آب­خنک‌کن[19] در نمودار EGCC به یک نمودار جدید می‌رسیم که نه­تنها جریان‌های حرارتی و نیروهای محرکه دما را نشان می‌دهد، علاوه بر آن جریان‌های اگزرژی و کار محوری را نیز مشخص می‌کند. نمودار جدید، CPER نامیده می‌شود. نمودار CPER نیروگاه مورد مطالعه در شکل 7 نشان داده شده است، سطح کل هاشور خورده در شکل 7 اگزرژی سوخت را توسط FGECC به سیکل داده می‌شود را نشان می‌دهد. سطح هاشور خورده مورب اتلاف کل اگزرژی در شبکه مبدل­های حرارتی را نشان می‌دهد و سطح هاشورخورده عمودی اگزرژی رسیده به سیستم توربین توسط بخار برای تولید توان را نشان می‌دهد. همان­گونه که در شکل مشخص است اگر تغییری در مصرف سوخت اتفاق بیافتد اتلافات اگزرژی در HEN و اگزرژی رسیده به سیستم توربین EX_Power شاهد تغییرات خواهیم بود. بنابراین انتگراسیون ترمودینامیکی بین مصرف سوخت، HEN و سیستم توربین در یک نمودار نشان داده می‌شود. در CPER می‌توان تاثیرات متقابل بین اجزا مختلف نیروگاه را نشان داده و یک نمای مفهومی از نیروگاه به دست می‌آید.

 

 

شکل5- نمودار ترکیبی اگزرژی در حالت مبنا

Figure 5. Exergy Composite Curve in base case

 

 

شکل6- نمودار ترکیبی جامع اگزرژی نیروگاه در حالت مبنا

Figure 6. Exergy Composite Curve in base case

 

 

شکل7- نمودار ترکیبی پینچ-اگزرژی نیروگاه در حالت مبنا

Figure 7. Combined Pinch- Exergy Composite Curve of Power Plant in base case

 

 

 

بحث و نتیجه­گیری

بررسی روش­های بهبود عملکرد

دوباره شکل 7 را در نظر می‌گیریم، همان­گونه که در شکل مشخص است، اگزرژی ورودی، اگزرژی سوخت می‌باشد که توسط محصولات احتراق به سیکل تحویل داده می‌شود. پس از تلف شدن اگزرژی در کوره، پیش­گرم­کن­ها و کندانسور، اگزرژی باقی­مانده تحویل سیستم توربین برای تولید توان می‌شود. اتلافات کل اگزرژی (اتلافات اگزرژی کوره+ اتلافات اگزرژی پیش­گرم­کن­ها+ اتلافات اگزرژی کندانسور) حالت مبنا، 400145 کیلووات می‌باشد و اگزرژی تحویل شده به سیستم توربین برای تولید توان (Ex-Process) در حالت مبنا برابر 418000 کیلووات می‌باشد. در شکل 7 سطح هاشورزده مورب نشان­دهنده کل اتلافات اگزرژی و سطح هاشور زده عمودی نشان­دهنده اگزرژی تحویلی به سیستم توربین می‌باشد. با توجه به شکل 7 هرگونه کاهش در اتلافات اگزرژی کوره، پیش­گرم­کن­­ها و کندانسور، باعث افزایش توان خروجی و کاهش مصرف سوخت خواهد شد. بازده حرارتی نیروگاه در حالت مبنا 39/44 درصد و مصرف سوخت 9/21 کیلووات در ثانیه می‌باشد. حال با استفاده از شکل 7 راه­های کاهش اتلافات اگزرژی، شناسایی و تاثیر این تغییرات بر روی کل سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد.

اصلاح اول: نزدیک کردن پینچ‌ها

برای کاهش اتلافات اگزرژی در پیش­گرم­کن­ها، به بررسی نحوه توزیع نیروهای محرکه دما در سیستم پیش­گرم­کن­ها (شکل 8) می‌پردازیم. شکل 9 نمای بزرگ شده سیستم پیش­گرم­کن­ها در CPER (شکل 8) را نشان می‌دهد. با توجه به شکل 9 مشاهده می‌شود که کم­ترین اختلاف دمای مجاز که 32/3 درجه سانتی­گراد می‌باشد، فقط در نقطه  Aرخ می‌دهد و سیستم تنها در یک نقطه پینچ دارد. از آنجا که در دمای چگالش هر زیرکش بخار، امکان ایجاد پنیچ دیگری وجود دارد، می‌توان گفت که نیروهای محرکه دما در این سیستم توزیع یکنواختی ندارند. طبق اصول ترمودینامیک، کاهش نیروی محرکه حین فرایند انتقال حرارت، یکی از عوامل کاهش بازگشت­ناپذیری می‌باشد. بنابراین در صورت کاهش نیروهای محرکه در دیگر پله­های چگالش و رساندن آن به میزان کم­ترین اختلاف دمای مجاز موجود در سیستم، راندمان حرارتی نیروگاه بهبود می‌یابد که دلیل آن کاهش بار حرارتی گرم مورد نیاز نیروگاه می‌باشد. برای نزدیک کردن تفاوت دمایی پله‌های چگالش دیگر، دبی زیرکش‌ها را باید تغییر داد. برای این کار، رابطه انرژی بین هر دو دمای اشباع نزدیک هم نوشته می‌شود. اتلافات کل اگزرژی به 2/210445 کیلووات کاهش می‌یابد. بازده نیروگاه با افزایش 4/0 درصدی به 56/44 درصد و مصرف سوخت با کاهش 46/0 درصدی به 8/21 کیلوگرم در ثانیه می‌رسد. همچنین میزان آلاینده­های ناشی از مصرف سوخت نیز به میزان 46/0 درصد کاهش می­یابد.

 

 

 

 

شکل8- تعیین اصلاحات بر روی نمودار ترکیبی پینچ و اگزرژی

Figure 8. Identification of improvement in combined pinch-exergy representation

 

شکل9- توزیع غیر یکنواخت نیروهای محرکة دما در سیستم پیش گرمکن ها

Figure 9. Non uniform distribution of driving forces in feed water heaters system

 

 

اصلاح دوم: افزایش بخار در بویلر

 

پس از نزدیک کردن پینچ­ها برای کاهش اتلافات اگزرژی در کوره همان­گونه که در شکل 8 مشخص است، می‌توان فشار آب تغذیه ورودی به کوره را افزایش داد. افزایش فشار آب تغذیه از 5/178 بار تا 5/193 بار باعث می‌شود که اتلافات کل اگزرژی تا 1/206670 کیلووات کاهش یابد. بازده نیروگاه با افزایش 89/0 درصدی (نسبت به حالت مبنا) به 79/44 درصد می‌رسد و مصرف سوخت با کاهش 13/1درصدی به 67/21 کیلوگرم در ثانیه می‌رسد. البته امکان تغییر فشار یک بویلر موجود از نظر عملی مقدور نیست و از ابتدا بویلر می‌بایست برای فشار مورد نظر طراحی گردد. همچنین میزان تولید آلاینده­ها نیز به میزان 13/1درصد کاهش می­یابد.

اصلاح سوم: کاهش فشار کندانسور

پس از اعمال اصلاحات اول و دوم، برای کاهش اتلافات اگزرژی در کندانسور، با توجه به شکل 8 می‌توان فشار کندانسور را کاهش داد. با کاهش فشار کندانسور، خط دمای اشباع کندانسور به CWECC بار حرارتی سرد (آب­خنک­کن)، نزدیک شده و سطح محصور بین این دو خط که اتلاف اگزرژی کندانسور را نشان می‌دهد، کم می‌شود. کاهش فشار کندانسور از 05/0 بار به 045/0 بار باعث می‌شود که اتلافات کل اگزرژی به 9/204742 کیلووات برسد. بازده سیکل با افزایش 7/1درصدی به 15/45 درصد می‌رسد. افزایش بازده به­علت افزایش اگزرژی تحویلی به سیستم توربین می‌باشد و اگزرژی ورودی سوخت ثابت است. سطح هاشور خورده مورب اتلافات کل اگزرژی را پس از اعمال سه اصلاح ذکر شده نشان می‌دهد و ناحیه پررنگ‌تر اگزرژی رسیده به سیستم توربین را نشان می‌دهد که تا 422438 کیلووات افزایش یافته است. مقایسه اتلافات کل اگزرژی، اگزرژی رسیده به سیستم توربین، بازده و مصرف سوخت بین حالت مبنا و حالت بهینه شده در جدول 3 آمده است.

 

جدول 3- مقایسه بین حالت مبنا و حالت بهینه شده

Table 3. Comparison of base and optimum case

 

حالت مبنا

حالت بهینه شده

اتلافات کل اگزرژی

5/212819 kw

9/204742 kw

اگزرژی تحویلی به سیستم توربین

2/420030  kw

422438 kw

بازده

39/44 %

15/45  %

مصرف سوخت

9/14 kg/s

6/14 kg/s

 

به­کارگیری هم­زمان تکنولوژی پینچ و آنالیز اگزرژی در بهینه‌سازی نیروگاه بخار نه­تنها باعث افزایش بازده حرارتی نیروگاه می‌شود بلکه باعث کاهش مصرف سوخت می‌گردد. افزایش راندمان نیروگاه به میزان 7/1 درصد تاثیر زیادی در میزان مصرف سوخت به­ازای هر کیلووات توان تولیدی دارد. به­طوری­که میزان 6/8076  کیلوات از تلفات اگسرژی در سیستم کاهش یافته است. یعنی میزان توان تحویلی به توربین 8/2047 کیلووات افزایش یافته است. لذا به­ازای توان تولیدی مشخص، میزان مصرف سوخت به میزان 3/0کیلوگرم بر ثانیه معادل  08/1 تن برساعت کاهش می­یابد. درنتیجه میزان گازهای خروجی نیروگاه حدود 20 تن بر ساعت معادل 480 تن در روز کاهش می­یابد؛ لذا تولید آلاینده­ها نیز به نحو چشم­گیری کاهش می­یابد.

 با کاهش مصرف سوخت به­ازای توان مشخص هزینه عملکردی نیروگاه پایین می‌آید و هم­چنین آلودگی حرارتی و آلودگی‌های گازهای مخرب زیست محیطی کاهش می‌یابد. در این مقاله ما سعی کردیم که نشان دهیم چگونه با استفاده از یک نمودار ساده، می‌توان اصلاحات موثر را شناسایی و قبل از وارد شدن به جزئیات طراحی، آن اصلاحات را هدف­گذاری کرد. طراحی و بهینه‌سازی سنتی نیروگاه‌ها بر پایه تجربه مهندسی و شبیه‌سازی کامپیوتری استوار است که هم­ زمان و هم تلاش فراوانی را نیاز دارد، در­حالی­که در آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی که برای تحلیل نیروگاه به­کار برده شد، از CPER که یک نمودار ساده می‌باشد استفاده شده است. در CPER قسمت‌های مختلف سیستم به صورت مجزا مشخص می‌گردد. اصلاحات ممکن به­راحتی بر روی نمودار قابل تعیین است. پس از تعیین اصلاحات، CPER این توانایی را دارد که تاثیر تغییرات در قسمت­های مختلف سیستم بر روی هم­دیگر و همچنین بر روی سیستم کل به­وضوح به­صورت گرافیکی نمایش دهد. بنابراین انتگراسیون ترمودینامیکی بین قسمت‌های مختلف نیروگاه در یک نمودار نشان داده می شود و یک نمای مفهومی از نیروگاه به­دست می‌آید. CPER به مهندس، یک نگرش فیزیکی عمیق و درک مهندسی بالاتر از روابط بین قسمت‌های داخل نیروگاه، برای تعیین اصلاحات ممکن را فراهم می‌آورد.

 

Reference

  1. Dincer, I. and M.A. Rosen, EXERGY: Energy, Environment and Sustainable Development. 2007: Elsevier Science.
  2. X. Feng and X. X. Zho, Combining pinch and exergy analysis for process modifications, Applied Thermal Engineering,17(3), 249-261, 1997.
  3. Klemes, J., et al., Sustainability in the Process Industry: Integration and Optimization: Integration and Optimization. 2010: McGraw-Hill Education.
  4. V. R. Dhole and J.P. Zheng, applying combined and exergy analysis to closed cycle gas turbine system design, 117, 47-52, 1995.
  5. B. Linnhoff, V.R.  Dhole, ”Shaftwork targets for low temperature process design” Chemical Engineering Science Journal, 1991
  6. V. R. Dohle, J. P. Zheng, ”Applying combined pinch and exergy analysis to closed-cycle gas turbine system design”, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol. 117, PP. 47-52, 1995
  7. J. P. Zheng, X. X. Zhu, V. R. Dhole and J. Rennie, Conceptual design of commercial power plants using the combined pinch and exegy approach. Accepted for presentation at the 5th  World Congress of Chemical Engineering, San Diego, California, July 1996.
  8. F. Staine, D. Favart, “Energy integration of  industrial processes based on the pinch analysis method extended to include exergy factors”, Applied Thermal Engineering, Vol. 16, PP. 497-507, 1996
  9. V Lavric, D. Baetens, V. Plesu, J. De Ruyck. Entropy generation reduction through chemical pinch analysis, Applied Thermal Engineering 23 (2003) 1837–1845.
  10. J. Manninen, X. X. Zhu,“ Thermodynamic analysis and mathematical optimization of power plant”, Computers and Chemical Engineering, Vol. 22, PP. S537-S544, 1998.
  11. J. Manninen, X. X.  Zhu, Optimal flowsheeting synthesis for power station design considering overall integration, Energy 24 (1999) 451–478
  12. M. Sorin, J. Paris, “ Integrated exergy load distribution method and pinch analysis”, Computer & Chemical Engineering Journal, 1999
  13. R. Anantharaman, O. Abbas, T. Gundersen,” Energy level composite curves- a new graphical methodology for the integration of energy intensive processes”, Applied Thermal Engineering Journal, ‏2006.
  14. A. Aspelund, D. Berstad, T. Gundersen,’’An Extended Pinch Analysis and Design procedure utilizing pressure based exergy for subambient cooling’’, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 2633–2649.
  15. M. H.  Khoshgoftar Manesh, M. Amidpour, M. H. Hamedi, Analysis of pressurized water reactor with pinch, exergy and thermoeconomic method, Proceedings of the 16th International Conference on Nuclear Engineering ICONE16 ,May 11-15, (2008), Orlando, Florida, USA.
  16. T. Gundersen, D.O. Berstad and A. Aspelund. Extended pinch analysis and process integration into pressure and fluid phase consideration, Proceeding of 12th Conference of Process Integration, Modeling and Optimization for Energy saving and Pollution Reduction - PRES 2009, (2009)10-13 May Rome Italy.
  17. A. Ataei and C.K. Yoo, Combined pinch and exergy analysis for energy efficiency optimization in a steam power plant, International Journal of the Physical Sciences Vol. 5(7), pp. 1110-1123, July 2010
  18. Ghannadzadeh, A. and M. Sadeqzadeh, Combined pinch and exergy analysis of an ethylene oxide production process to boost energy efficiency toward environmental sustainability. Clean Technologies and Environmental Policy, 2017. 19(8): p. 2145-2160.
  19. Ghannadzadeh, A. and M. Sadeqzadeh, Exergy aided pinch analysis to enhance energy integration towards environmental sustainability in a chlorine-caustic soda production process. Applied Thermal Engineering, 2017. 125(Supplement C): p. 1518-1529.

 

 


 


 

 

 



[1]- استادیار، بخش علوم حرارتی و سیستم­های انرژی، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم، قم، ایران*(مسوول مکاتبات)

2- Combined pinch and Exergy Analysis (CPEA)

1- Assistant Professor, Division of Thermal Sciences & Energy Systems, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Technology & Engineering, University of Qom, Qom, Iran

1- Composite Curve(CC)

2- Grand Composite Curve(GCC)

3- Exergy Composite Curve(EGCC)

4- Composite Curve (EGCC)

5- Linnhoff & Dhole

6- Zheng & Dhole

7- Favrat & Staine

8- Vasile Lavric

9- Manninen & Zhu

1- Sorin & Paris

2- Anantharaman & Gundersen

3- Ataei & You

4- Ghanadzadeh & Sadeghzadeh

1- Heat Exchanger Network(HEN)

1- Flue Gas Exergy Composite Curve(FGECC)

2- Cooling Water Exergy Composite Curve(CWECC)

  1. Dincer, I. and M.A. Rosen, EXERGY: Energy, Environment and Sustainable Development. 2007: Elsevier Science.
  2. X. Feng and X. X. Zho, Combining pinch and exergy analysis for process modifications, Applied Thermal Engineering,17(3), 249-261, 1997.
  3. Klemes, J., et al., Sustainability in the Process Industry: Integration and Optimization: Integration and Optimization. 2010: McGraw-Hill Education.
  4. V. R. Dhole and J.P. Zheng, applying combined and exergy analysis to closed cycle gas turbine system design, 117, 47-52, 1995.
  5. B. Linnhoff, V.R.  Dhole, ”Shaftwork targets for low temperature process design” Chemical Engineering Science Journal, 1991
  6. V. R. Dohle, J. P. Zheng, ”Applying combined pinch and exergy analysis to closed-cycle gas turbine system design”, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol. 117, PP. 47-52, 1995
  7. J. P. Zheng, X. X. Zhu, V. R. Dhole and J. Rennie, Conceptual design of commercial power plants using the combined pinch and exegy approach. Accepted for presentation at the 5th  World Congress of Chemical Engineering, San Diego, California, July 1996.
  8. F. Staine, D. Favart, “Energy integration of  industrial processes based on the pinch analysis method extended to include exergy factors”, Applied Thermal Engineering, Vol. 16, PP. 497-507, 1996
  9. V Lavric, D. Baetens, V. Plesu, J. De Ruyck. Entropy generation reduction through chemical pinch analysis, Applied Thermal Engineering 23 (2003) 1837–1845.
  10. J. Manninen, X. X. Zhu,“ Thermodynamic analysis and mathematical optimization of power plant”, Computers and Chemical Engineering, Vol. 22, PP. S537-S544, 1998.
  11. J. Manninen, X. X.  Zhu, Optimal flowsheeting synthesis for power station design considering overall integration, Energy 24 (1999) 451–478
  12. M. Sorin, J. Paris, “ Integrated exergy load distribution method and pinch analysis”, Computer & Chemical Engineering Journal, 1999
  13. R. Anantharaman, O. Abbas, T. Gundersen,” Energy level composite curves- a new graphical methodology for the integration of energy intensive processes”, Applied Thermal Engineering Journal, ‏2006.
  14. A. Aspelund, D. Berstad, T. Gundersen,’’An Extended Pinch Analysis and Design procedure utilizing pressure based exergy for subambient cooling’’, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 2633–2649.
  15. M. H.  Khoshgoftar Manesh, M. Amidpour, M. H. Hamedi, Analysis of pressurized water reactor with pinch, exergy and thermoeconomic method, Proceedings of the 16th International Conference on Nuclear Engineering ICONE16 ,May 11-15, (2008), Orlando, Florida, USA.
  16. T. Gundersen, D.O. Berstad and A. Aspelund. Extended pinch analysis and process integration into pressure and fluid phase consideration, Proceeding of 12th Conference of Process Integration, Modeling and Optimization for Energy saving and Pollution Reduction - PRES 2009, (2009)10-13 May Rome Italy.
  17. A. Ataei and C.K. Yoo, Combined pinch and exergy analysis for energy efficiency optimization in a steam power plant, International Journal of the Physical Sciences Vol. 5(7), pp. 1110-1123, July 2010
  18. Ghannadzadeh, A. and M. Sadeqzadeh, Combined pinch and exergy analysis of an ethylene oxide production process to boost energy efficiency toward environmental sustainability. Clean Technologies and Environmental Policy, 2017. 19(8): p. 2145-2160.
  19. Ghannadzadeh, A. and M. Sadeqzadeh, Exergy aided pinch analysis to enhance energy integration towards environmental sustainability in a chlorine-caustic soda production process. Applied Thermal Engineering, 2017. 125(Supplement C): p. 1518-1529.