تأثیر انتخاب متغیرهای تصمیم در بخش بخار در تحلیل اکسرژی اکونومیک یک نیروگاه حرارتی سیکل ترکیبی (مطالعه موردی نیروگاه سیکل ترکیبی دماوند)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد آستارا (مسوول مکاتبات)

2 استادیار گروه مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی شهید عباسپور

3 استاد گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف


 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره شانزدهم، شماره ویژه 93

 

تأثیر انتخاب متغیرهای تصمیم در بخش بخار در تحلیل اکسرژی اکونومیک یک  نیروگاه حرارتی سیکل ترکیبی (مطالعه موردی نیروگاه سیکل ترکیبی دماوند)

 

  اشکان عبدالی سوسن[1]*

a.abdali@iau-astara.ac.ir

مریم فانی[2]

  بیژن فرهانیه[3]

 

تاریخ دریافت:21/5/92

تاریخ پذیرش:1/5/93

 

چکیده

زمینه و هدف : اکسرژی اکونومیک یکی از راه‌های بهینه‌سازی سیستم‌های ترمودینامیکی می‌باشد. در مسائل بهینه‌سازی اکسرژی اکونومیک نیروگاه، تأکید عمده انتخاب متغیرهایی در قسمت سیکل گازی جهت نیل به هدف اصلی می‌باشد.هدف اصلی این مقاله تأثیر انتخاب متغیرهای جدید تصمیم، در قسمت مدار بخار نیروگاه، علاوه بر انتخاب متغیرهای سیکل گازی در تعیین عملکرد بهینه یک نیروگاه حرارتی سیکل ترکیبی است. اطلاعات طراحی مربوط به نیروگاه سیکل ترکیبی دماوند در نزدیکی تهران می‌باشد.

روش بررسی: روش بهینه‌سازی بر اساس بهینه‌سازی اکسرژی اکونومیک تکراری انجام شده است. اساس این روش بر پایه سه مفهوم (اختلاف قیمت نسبی، ضریب اکسرژی اکونومیک و بازدهی اکسرژتیک) و کمترین قیمت تولید هر جزء و کل سیستم می‌باشد، که از چهار قسمت اصلی محاسبه قیمت اکسرژی اکونومیک، تحلیل محاسبات اکسرژی اکونومیک، تعیین تعداد شباهت های اکسرژی اکونومیک و تحلیل دیاگرام های بازدهی قیمت / تولید تشکیل شده است.

یافته ها: یافته ها شامل مقادیر اصلی قبل و بعد از بهینه سازی برای هر حجم کنترل و کل سیستم می باشند که عبارتند از بازدهی اکسرژی اکونومیک، نرخ اکسرژی سوخت، نرخ اکسرژی تولید، نرخ اتلاف اکسرژی، نسبت اتلاف اکسرژی، قیمت متوسط بر واحد اکسرژی سوخت، قیمت متوسط بر واحد اکسرژی تولید، نرخ قیمت اتلاف اکسرژی، نرخ قیمت سرمایه گذاری و عملکرد و نگه داری، اختلاف نسبی هزینه، ضریب اکسرژی اکونومیک و داده های هر واحد در حالت اولیه و بهینه نیروگاه است.

 بحث و نتیجه گیری : تابع هدف به صورت دستیابی همزمان به دو پارامتر بهینه انتخاب گردیده که عبارت‌اند از :افزایش بازدهی اکسرژتیک و کاهش قیمت محصول (برق تولیدی). نتایج به دست آمده نشان میدهد که با انتخاب برخی متغیرها در قسمت بخار در غیاب انتخاب بعضی از متغیرهای معمول سیستم گازی، نیز می توان به عملکرد مطلوب دست یافت. به طوری که بازدهی اکسرژتیک 4% بالاتر و قیمت تولید 2% پایین تر از حالت اولیه به دست می‌آید.

 

واژه های  کلیدی: نیروگاه سیکل ترکیبی، بازدهی اکسرژی، قیمت اکسرژی، بهینه‌سازی اکسرژی اکونومیک، متغیر تصمیم.

 

 

مقدمه

 

در یک نیروگاه سیکل ترکیبی انرژی حرارتی ناشی از گازهای خروجی توربین گاز به یک بویلر بازیافت (HRSG) با چرخه آب / بخار منتقل می‌شود. بخار داغ فشار بالا، خروجی از بویلر بازیافت به توربین بخار رفته و با چرخش پره های توربین سبب تولید برق می‌شود(1). تا 50 سال اخیر تحقیقات مناسبی برای طراحی بهینه نیروگاه برق وجود نداشت که علل مختلفی سبب این عامل بود از جمله:فراوانی منابع سوخت با قیمت پایین، پیچیدگی اجزاء نیروگاه و نقصان روش‌های ریاضی جهت بهینه‌سازی آن و در نهایت عدم پیشرفت تکنولوژی از لحاظ سخت‌افزاری و نرم‌افزاری به خصوص در حوزه محاسبات و رایانه (2) . در بین سال های 1970 تا 1980 میلادی کوشش‌های فراوانی در حوزه افزایش بازدهی، توسعه سیستم‌های تبدیل انرژی و استفاده از منابع انرژی جایگزین بجای استفاده از سوخت‌های فسیلی صورت گرفت. ترمو اکونومیک (thermo economic) و اکسرژی اکونومیک (exergoeconomic ) و موارد مشابه آن از جمله روش هایی است که با ترکیب ترمودینامیک و اقتصاد کمک به افزایش بازدهی نیروگاه با در نظر گرفتن قابلیت های اقتصادی می کند. ال سید (El-Sayed)،تیسات سارونیس(Tsatsaronis) و گاگیولی (Gaggioli) از اولین زمره کسانی بودند که عنوان اکسرژی اکونومیک را در اوایل دهه 1980 پیشنهاد دادند (3). گستره کاربرد اکسرژی اکونومیک تعیین قیمت تولید (Product) هر واحد نیروگاه (تولید از قبیل برق، بخار داغ، هوای خروجی با فشار بالا) و تعیین قیمت سوخت (Fuel) هر واحد (سوخت مانند سوخت فسیلی، آب وروردی یا هوای ورودی) وهمچنین تعیین قیمت انرژی میان فرایند و عملکرد یک سیستم تبدیل انرژی می‌باشد (4). کاربرد تعیین این قیمت ها در قابل قبول بودن نتیجه مطالعات، تصمیمات سرمایه گذاری، انجام روش‌های بهینه جایگزین و انتخاب مناسب نصب تجهیزات یا بکارگیری تجهیزات جایگزین یا گسترش آن ها در یک سیستم انرژی، نقش بسزایی دارد. یک تحلیل اکسرژی اکونومیک باید اهداف زیر را برآورده کند (5) :

  1. محاسبه قیمت هر یک از تولیدات بطور جداگانه در صورتی که تولیدات یک سیستم بیشتر از یکی باشد. مانند سیستم های کوجنریشن (cogeneration) که تولید همزمان برق و حرارت می کنند
  2. فهم فرایند تشکیل قیمت و تعیین قیمت های جریان ها. مانند جریان های هوا، آب، بخار یا گازهای داغ مبادله شده میان حجم کنترل ها
  3. بهینه‌سازی متغیرهای مهم  در هر یک از اجزاء
  4. و در نهایت بهینه‌سازی کل سیستم

روش بهینه‌سازی اکسرژی اکونومیک تکراری (iterative exergoeconomic optimization) یکی از مناسب ترین روش ها برای کاهش قیمت های نهایی تولیدات در یک سیستم حرارتی پیچیده می‌باشد. در سال 1987 تیسات سارونیس (Tsatsaronis)  چهار قسمت اصلی این تحلیل را به شکل زیر تعریف نمود (1) :

  1. محاسبه قیمت اکسرژی اکونومیک
  2. تحلیل محاسبات اکسرژی اکونومیک
  3. تعیین تعداد شباهت های اکسرژی اکونومیک
  4. تحلیل دیاگرام های بازدهی قیمت / تولید

اساس این روش بر پایه سه مفهوم (اختلاف قیمت نسبی، ضریب اکسرژی اکونومیک و بازدهی اکسرژتیک) و کمترین قیمت تولید هر جزء (Component) و کل سیستم می‌باشد.

در سال های اخیر بسیاری از تحقیقات از منظر اکسرژی اکونومیک انجام گردیده است که از جمله می توان به فرانکوپولوس (1994Frangopoulos,) زیسلا (2006Cziesla,) والرو (2006-1993 Valero, ) و ساهو (2008sahoo,) اشاره نمود (6) .

هدف اصلی این مقاله تأثیر انتخاب متغیرهای جدید در قسمت مدار بخار نیروگاه، علاوه انتخاب متغیرهای سیکل گازی، در تعیین عملکرد بهینه یک نیروگاه حرارتی سیکل ترکیبی با استفاده از روش بهینه‌سازی اکسرژی اکونومیک تکراری می‌باشد.

روش تحقیق

1 تحلیل اکسرژی

تحلیل اکسرژی ۱ ترکیبی از قانون ۱ و ۲ ترمودینامیک می‌باشد (11). در حالت پایا ، موازنه اکسرژی حجم کنترل برابر است با (4) :

140=jExQ,j+iExi-eExe-Wcv-ExD ">  (1)

که عبارت 14jExQ,j+iExi-eExe-Wcv">  دلالت بر آهنگ انتقال کسرژی و 14ExD ">  نمایانگر  اتلاف اکسرژی(exergy destruction) می‌باشد. زیر نویس i و e اکسرژی مخصوص جریان ورودی و خروجی حجم کنترل را مشخص می کند. اکسرژی خود به چهار جزء تقسیم می‌شود که در این مطالعه از اکسرژی پتانسیل و شیمیایی صرف نظر شده است. مهم ترین بخش اکسرژی، اکسرژی فیزیکی ( 14exPH"> ) و شیمیایی( 14exCH"> ) می‌باشد که عبارت‌اند از (7) :

(2)

14ex=exPH+exCH">

(3)

14exPH=h-h0-T0(s-s0)">

(4)

14exCH=i=1jyiexiCH+RT0i=1jyilnyi">

 

2 تحلیل اکسرژی اکونومیک

رابطه عمومی موازنه قیمت برای یک حجم کنترل با k جزء (component)  به صورت زیرمی باشد:


 (5)

140=kcQ,kExQ,k+i(ciExi)k-e(ceExe)k+Zk-cw,kWk">


 

 

گام بعدی مشخص کردن تولید و سوخت برای هر جزء  از حجم کنترل است. تولید به عنوان محصول و هدف عملکرد هر جزء و سوخت به عنوان ورودی و منبع مصرف شده برای تولید محصول تعریف می‌شود. تولید و ســوخت دارای رابطــه زیر می باشند:

(6)

14ExF,k=ExP,k+ExD,k">

 

و در ادامه تعریف قیمت اتلاف اکسرژی عبارتست از:

(7)

14CD,k=cF,k.ExD,k">

     برای محاسبه قیمت اتلاف اکسرژی در هر واحد مجزا در نیروگاه در ابتدا باید معادله تعادل (معادله 5) را برای هر واحد بطور جداگانه محاسبه کرد.همیشه برای هریک از اجزاء چندین ورودی و خروجی وجود دارد. بنابراین برای حل مسأله نیاز به وجود معادلات کمکی داریم (8).

برای تحلیل مجموعه نیروگاه، معادلات اصلی و کمکی تعیین شده برای هر زیر مجموعه، در حالت پایدار در جدول 3 ارایه  شده است.

3- روش بهینه‌سازی اکسرژی اکونومیک تکراری

روش اکسرژی اکونومیک تکراری برای طراحی بهینه یک سیستم گرمایی است. در این تحقیق هدف کاهش قیمت نهایی تولید(برق تولیدی) و افزایش بازدهی اکسرژتیک برای سیستم است. در تحلیل اقتصادی یک سیستم حرارتی، مقادیر سالانه قیمت های سوخت، هزینه های عملکرد و نگه داری کل سیستم به عنوان پارامتر ورودی در نظر گرفته می شوند. توابع زیر موارد ذکر شده را نمایش می دهند:

 

 

(8)

 

Minimize  14ExPtot.cPtot =">   14ExFtot.">   14cFtot">  + 14ZtotCI">  + 14ZtotOM">

(9)

Maximum 14εtot ">  = 14ExPtotExFtot">

 

 

معادله 8 نشانگر برابر بودن نرخ قیمت تولید در  طرف چپ تساوی با مجموع قیمت خرج شده برای سوخت و هزینه سرمایه گذاری، راه اندازی و نگه داری تجهیزات در طرف راست تساوی است. در این کاربرد،  (هزینه بر واحد اکسرژی محصول) بجای  (کل نرخ هزینه متناظر با محصول)  مینیمم می‌شود زیرا  ثابت است (9).

صورت دیگر نمایش معادله 8 به صورت زیر است:

(10)

 

 

معادلات هزینه سرمایه گذاری ( 14ZtotCI"> ) و هزینه راه اندازی و تعمیرات ( 14 (ZtotOM">  بر اساس روابط منابع (9و12) محاسبه شده است.

دو رابطه ضریب اکسرژی اکونومیک ( 14fk">  ) و اختلاف نسبی هینه  ( 14rk"> ) برای دستیابی به دوهدف بالا توسط تیساتسارونیس و بیژن پیشنهاد شده است :

(11)

14fk=ZkZk+CD,k">

 

(12)

 

14rk=1-εkεk+ZkCI+ZkOMcF,kExP,k">

با به دست آوردن انحراف نسبی مقادیر واقعی بازدهی اکسرژتیک و اختلاف نسبی هزینه از مقادیر بهینه از طریق روابط زیر گام بعدی در تعیین فرایند بهینه‌سازی انجام می‌شود.

 

 

 

(13)

 

(14)

 

 

برای واحدهایی که جمع هزینه 14CD"> + 14Z">  آن ها بالاست و برای کل سیستم می بایست مقادیر  و  به حداقل مقدار خود برسند. با بـه دست آوردن مقادیـر جدیـد تابع هـدف اندازه گیری می‌شود چنانچه در مقایسه با مراحل قبل بهبـود یافتـه باشد می توان تکرار دیگری انجام داد. در غیر این صورت باید یا به مقادیر ابتدایی بازگشت و یا دوباره مراحل فوق را تکرار نمود (8).

مطالعه موردی

در این تحقیق نیروگاه سیکل ترکیبی دماوند مورد بررسی قرار گرفته است که در جدول 1 به برخی از مقادیر اصلی طراحی آن اشاره گردیده است.

 

 

جدول 1- داده های طراحی نیروگاه دماوند

فشارP(bar)

دماT(K)

      آهنگ (دبی)  جریان جرم          (kg/s)       

(هوای خروجی از کمپرسور هوا) 69/10

(آب مایع اصلی) 319

(سوخت مصرف ) 64/0 Supplementary Firing

(گاز ورودی به توربین گاز) 69/10

(دمای گاز خروجی) 819

(دبی جریان گاز خروجی از توربین گاز) 8/436

(بخار HP ورودی به توربین بخار) 90

(بخار HP) 793

(بخار HP ورودی به توربین بخار) 134

(بخار LP ورودی به توربین بخار) 5/8

(بخار LP) 503

(بخار LP ورودی به توربین بخار) 18

 

 

شکل 1 دیاگرام جریان ها در سیکل ترکیبی MW320 دماوند را نشان می دهد. که شامل بخش های زیر است: ۲ دستگاه کمپرسورمشابه، ۲ دستگاه محفظه احتراق مشابه، ۲ دستگاه توربین گاز مشابه، ۲ دستگاه بویلر بازیافت مشابه، ۱ دستگاه توربین بخار، کندانسور و پمپ. سوخت گازی عمدتا متان می‌باشدکه در بخش سیستم گازی نیروگاه با هوای فشرده خروجی از کمپرسور با نسبت فشار 8/11 و دمای K1432 ترکیب و سوزانده می‌شود.گازهای داغ خروجی از توبین گاز از طریق بویلر بازیافت، بخار فشار بالا(HP)و فشار پایین (LP) بترتیب با فشار 51/95و 6/9 بار، تولید می کند. در قسمت سیستم بخار نیز در نهایت MW 73/160 برق تولید می‌شود.

9 متغیر تصمیم در این سیکل جهت بهینه‌سازی در نظر گرفته شده که عبارت‌اند از:

  • سوخت ورودی به محفظه احتراق، 14mfuel">
  • سوخت ورودی به بویلر بازیافت، 14m24Ùˆm25">
  • بازدهی ایزنتروپیک کمپرسور، 14ηScomp">
  • دمای بخار جریان فشار بالا ورودی به توربین بخار، 14T13">
  • فشار بخار جریان فشار بالا ورودی به توربین بخار، 14P13">
  • دبی جرمی جریان فشار بالا ورودی به توربین بخار، ṁ13­­
  • دمای گاز خروجی از توربین گاز، 14T3&T8">
  • نسبت فشار کمپرسور، 14rpcomp.">
  • بازدهی ایزونتروپیک توربین بخار،  ηst

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1 - مدار سیستم نیروگاه سیکل ترکیبی

 

 

 

متغیرهای تصمیم می بایست در یک محدوه منطقی انتخاب شوند که این قیود در جدول 2 نمایش داده شده اند. در تحلیل سیستم چندین فرض در نظر گرفته شـده کــه بـه شرح زیر می باشند:

  • همه فرایند به صورت حالت پایا جریان پایا (Steady State-Steady Flow) در نظر گرفته شده است.
  • از اثرات انرژی جنبشی و پتانسیل صرف نظر شده است.
  • هوا و گازهای حاصل از احتراق، تابع قوانین گاز کامل (ایده آل) می باشند.
  • واکنش احتراق کامل است.
  • از اتلاف حرارتی در محفظه احتراق صرف نظر شده است.
  • افت فشار هوا و آب در هنگام ورود به بویلر بازیافت بترتیب 3% و 5% بوده و از افت فشار ناشی از اصطکاک درون لوله ها صرف نظر شده است.
  • اکسرژی جنبشی و پتانسیل بعلت کم بودن مقادیر در محاسبات در نظر گرفته نشده است.
  • تحلیل اکسرژتیک بر اساس ارزش حرارتی پایین گاز طبیعی انجام شده است.
  • خواص ترمودینامیکی هوا و بخار با استفاده از نرم افزار EES انجام شده است.
  • شرایط محیطی (Dead State) در دمای k290و فشار bar 9/0با نسبت جرمی هوا به سوخت 8/427 در نظر گرفته شده است.

معادله عمومی احتراق سیستم در حالت اولیه مطابق زیر است:

 

(15)

88 CH4+ 4C2H6+2C3H8+CO2+5N2+620[O2+3.76N2] → 103 CO2+2336 N2+420 O2+196 H2O

 

 

 

جدول2 - متغیرهای تصمیم و قیود بر اساس اطلاعات نیروگاه و منابع (7و10).

متغیرهای تصمیم

واحد

حد پایین

حد بالا

14mfuel">

kg/s

5

15

14m24Ùˆm25">

kg/s

0

2

14ηScomp">

%

75

90

14T13">

Kelvin

0

15

14P13">

Bar

5-

5

13   ­­

Kg/s

0

15

14T3&T8">

Kelvin

2-

2

14rpcomp.">

_

9

15

ηst

%

75

92

 

 

 

جدول3-  روابط اکسرژی اکونومیک اصلی و کمکی واحد های نیروگاه دماوند

معادلات کمکی

معادلات اصلی مربوط به موازنه قیمت

Air compressor 1& 2

14c1=0">

14c6=0">

14c2=c7">

14cW,comp=cW,gt"> = 14cW,st=cW,p">

 

Air compressor 1& 2

14C1+CW,comp.1+Zcomp.1TOTAL=C2">

14C6+CW,comp.2+Zcomp.2TOTAL=C7">

Combustion Chamber 1& 2

14c3=c8">

 

 

Combustion Chamber 1& 2

14C2+Cfuel+Zcb1TOTAL=C3">

14C7+Cfuel+Zcb2TOTAL=C8">

Gas turbine 1& 2

14c3=c4">

14c8=c9">

 

Gas turbine 1& 2

14C3+Zgt1TOTAL=C4+CW,gt1+CW,comp.1">

14C8+Zgt2TOTAL=C9+CW,gt2+CW,comp.2">

HRSG 1& 2

14c24=c25=cfuel">

14c5"> = 14c10">

14c11=c14">

 

Steam turbine

HRSG 1& 2

14C4+C24+C22+ZHRSG1TOTAL=C5+C11+C14">

14C9+C23+C25+ZHRSG2TOTAL=C10+C12+C15">

 

 

Steam turbine

14c11=c12=c13">

14c14=c15=c16">

14C16=C14+C15">

14C17Ex17=C13+C16Ex13+Ex16">

 

14C13+C16+ZstTOTAL=CW,st+C17">

14C13=C11+C12">

 

Condenser

14c18=c19">

 

Condenser

14C17+C19+Zcond.TOTAL=C18+C20">

 

Pump

14c22=c23">

14C21=C22+C23">

Pump    

14C20+CW,pump+ZpTOTAL=C21">

 

 


یافته ها

 

جدول1 مقادیر اصلی عملکرد یک نیروگاه حرارتی سیکل ترکیبی را نمایش می دهد. بعد از مدل سازی و شبیه سازی سیستم اثرات پارامترهای اصلی روی عملکرد سیستم مطالعه گردید. جدول4 خلاصه ای از محاسبات مقادیر اکسرژی اکونومیک برای هر واحد را در حالت اولیه نمایش می دهد. در جدول 5 مقایسه بین متغیرهای تصمیم در حالت اولیه و بهینه انجام شده است. در جدول 6 محاسبات انجام شده جهت مقادیر اکسرژی اکونومیک در حالت بهینه جمع بندی شده است. مقادیر جدول شامل بازدهی اکسرژی اکونومیک ε، نرخ اکسرژی سوخت 14ExF"> ، نرخ اکسرژی تولید 14ExP"> ، نرخ اتلاف اکسرژی 14ExD"> ، نسبت اتلاف اکسرژی 14yD"> ، قیمت متوسط بر واحد اکسرژی سوخت 14cF"> ، قیمت متوسط بر واحد اکسرژی تولید 14cP"> ، نرخ قیمت اتلاف اکسرژی 14CD"> ، نرخ قیمت سرمایه گذاری و عملکرد و نگه داری 14Z"> ، اختلاف نسبی هزینه 14 r"> ، ضریب اکسرژی اکونومیک 14f">  و داده های هر واحد در حالت اولیه و بهینه نیروگاه است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 5-  مقایسه بین متغیرهای تصمیم اکسرژی اکونومیک در حالت اولیه و بهینه

تفاوت میان اولیه و بهینه

بهینه

اولیه

واحد

متغیرهای تصمیم

05/0-

54/8

9

Kg/s

14mfuel">

09/0

7/0

64/0

Kg/s

14m24Ùˆm25">

01/0-

85

86

%

14ηScomp">

20/0

2/14

8/11

_

14rpcomp.">

0

819

819

Kelvin

14T3ÙˆT8">

01/0

802

793

Kelvin

14T13">

02/0

69/91

90

bar

14P13">

05/0

5/140

134

Kg/s

13

03/0-

85

88

%

ηst

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بحث و  نتیجه گیری

 

با فرض این که تولید نیروگاه را ثابت و به مقدارMW 420 در نظر بگیریم، با تحلیل داده های ارایه  شده در جداول، نتایج زیر به دست می آید:

در جدول 4 که مقادیر محاسبـاتی در حــالت اولیـه را بیـان می کند واحد های محفظه احتراق، توربین گاز و HRSG دارای بیشترین مقدار مجموع 14CD"> + 14Z">  می باشند. بنابراین از دیدگاه اکسرژی اکونومیک مهم ترین واحد ها جهت بررسی و بهینه‌سازی می باشند.

  • ·         محفظه احتراق

مقدار کم ضریب اکسرژی اکونومیک در محفظه احتراق نشانگر اینست که تغییر هزینه در محفظه احتراق منحصراَ وابسته به تغییر در اتلاف اکسرژی می باشد. با افزایش نسبت فشار در کمپرسور دمای هوای خروجی از آن ( 14T2">  و ( 14T7">  افزایش یافته و باعث کاهش اتلاف اکسرژی در محفظه احتراق می‌شود. البته این امر افزایش هزینه سرمایه گذاری و نگه داری را در پی دارد. جدول 7 اثر نسبت فشار بر اتلاف اکسرژی در حالت اولیه و بهینه را در محفظه احتـراق نمایش می دهد.

 

جدول 7- اثر نسبت فشار بر اتلاف اکسرژی در حالت اولیه و بهینه در محفظه احتراق

واحد

14P2P1">

14CD">

اولیه

بهینه

اولیه

بهینه

محفظه احتراق

8/11

2/14

2675

1813

 

 

 

 

 

 

 

  • ·                     HRSG

 

دومین واحدی که مجموع 14CD"> + 14Z">  بیشترین مقدار است HRSG می‌باشد. در این واحد بازدهی اکسرژتیک پایین و اختلاف نسبی هزینه بالاست. از طرفی ارزش ضریب اکسرژی اکونومیک نمایانگر اینست که مقدار اختلاف نسبی هزینه تقریباً  46% مسبب تعیین مقدار سرمایه گذاری است. و 54%باقی مانده سبب اتلاف اکسرژی است و با کاهش اتلاف اکسرژی و یا افزایش بازدهی اکسرژتیک در HRSG حتی با وجود افزایش هزینه سرمایه گذاری و تجهیز و نگه داری، می توان به حالت بهینه نزدیک شد. جدول 8 مقایسه میان بازدهی اکسرژتیک و هزینه اتلاف اکسرژی در HRSG در حالت اولیه و بهینه نشان می دهد.

 

 

جدول 8 - مقایسه بین بازدهی اکسرژتیک و هزینه اتلاف اکسرژی در HRSG در حالت اولیه و بهینه

واحد

ε

14CD">

اولیه

بهینه

اولیه

بهینه

HRSG

09/65

68/66

2102

1966

 

 

 

 

 

 

  • ·         توربین گاز

 

در حالت اولیه   14fgt=1.3 "> rgtاست. در نتیجه باید نسبت به کاهش هزینه سرمایه گذاری و نگه داری در توربین گاز اقدام کنیم.با توجه به رابطه ذکر شده در منابع 9و 12 مربوط به هزینه سرمایه گذاری در توربین گاز، این رابطه وابسته به دبی جریان هوای ورودی به توربین ( 14m3 Ùˆm8)">   می‌باشد. بنابراین کاهش دبی جریان هوای ورودی باعث کاهش قیمت بر واحد اکسرژی تولیدی در توربین گاز می‌شود که از رابطه زیر به دست می آید:

(16) 14cPgt"> = 14 C3-C4+Zgt1TOTALWgt1">  = 14C8-C9+Zgt2TOTALWgt2">               در جدول 9 مقایسه بین تغییر هزینه سرمایه گذاری و قیمت متوسط بر واحد اکسرژی تولید در توربین گاز را در حالت اولیه و بهینه نشان می دهد.

 

 

جدول 9- مقایسه بین تغییر هزینه سرمایه گذاری و قیمت متوسط بر واحد اکسرژی تولید

در توربین گاز در حالت اولیه وبهینه

واحد

14Z gtTOTAL">

14cP">

اولیه

بهینه

اولیه

بهینه

توربین گاز

35/1556

8/1315

84/19

13/19

 

 

ü       بر اساس نتایج گفته شده می توان با تغییر مقدار برخی پارامترهای طراحی که بر عملکرد هزینه سهم بسزائی دارند به نتیجه مطلوب رسید. تغییرات به دست آمده بشرح زیر می باشند:

مقادیر 14T2 ÙˆT7">  در حالت اولیه و بهینه و مقایسه نتایج آن در جدول 10 نمایش داده شده است. پیشنهاد این افزایش دما در محفظه احتراق و بویلر بازیافت، سبب بهبود عملکرد سیستم از لحاظ بازدهی ترمودینامیکی و  اقتصادی می گردد.

 

جدول 10 - مقادیر 14T2 Ùˆ T7">  در حالت اولیه و بهینه و مقایسه نتایج آن

متغیر

اولیه

بهینه

تفاوت

14T2,T7 (k)">

635

678

07/0

 

ü       اقدام به افزایش نسبت فشار در کمپرسور، توربین گاز  و کاهش بازدهی ایزونتروپیک در کمپرسور، توربین گاز و توربین بخار نیز، در عملکرد بهینه کل سیستم مناسب است. در جدول 11 مقایسه ای بین حالت اولیه و بهینه در کاهش بازدهی ایزونتروپیک کمپرسور، توربین گاز و توربین بخار و درصد تغییرات آن ها نسبت بهم  نمایش داده شده است.

 

جدول 11 - مقایسه بین بازدهی ایزونتروپیک کمپرسور، توربین گاز و توربین بخار در حالت اولیه و بهینه

متغیرها

اولیه

بهینه

تفاوت

بازدهی ایزونتروپیک کمپرسور

86

85

01/0-

بازدهی ایزونتروپیک توربین گاز

8/91

4/90

-02/0

بازدهی ایزونتروپیک توربین بخار

88

85

-03/0

ü       و در آخر، بر اساس اطلاعات نیروگاه و ارزیابی سیستم، دمای هوای خروجی از توربین گاز تقریباً  ثابت است.

مقادیر تابع هدف در حالت اولیه و بهینه و مقدار تغییرات آن ها نسبت بهم در جداول 12 و 13 نشان داده شده است. نتایج نشان دهنده اینست که بازدهی اکسرژتیک نیروگاه از 7/35% به 25/37% افزایش می یابد. همچنین قیمت تولید نیز حدود 2% کاهش می یابد.

 

جدول 12- مقایسه نتایج برای قیمت تولید بر واحد اکسرژی برای حالت اولیه و بهینه

قیمت تولید بر واحد اکسرژی                                

   ($/GJ)                                                                                                                                                                                                                            

                            واحد 

اولیه

بهینه

تفاوت

کمپرسور

09/24

44/23

-03/0

محفظه  احتراق

28/15

78/14

-03/0

توربین گاز

84/19

13/19

-04/0

HRSG

45/22

33/21

-05/0

توربین بخار

84/19

13/19

-04/0

چگالنده

92/17

55/17

-02/0

پمپ

82/22

17/19

-16/0

کل سیستم

46/30

8/29

-02/0

 

جدول 13 - مقایسه نتایج جهت بازدهی اکسرژتیک برای حالت اولیه و بهینه

بازدهی اکسرژتیک                                   

واحد

اولیه

بهینه

تفاوت

کمپرسور

63/92

8/92

0

محفظه  احتراق

98/77

28/84

08/0

توربین گاز

02/85

2/84

-01/0

HRSG

09/65

68/66

02/0

توربین بخار

66/92

2/87

-06/0

چگالنده

16/83

75/79

-04/0

پمپ

84/43

71/45

04/0

کل سیستم

7/35

25/37

04/0

 

در نیروگاه های سیکل ترکیبی پیشرفته برای افزایش عملکرد ترمودینامیکی نیروگاه، به طور عمده تمرکز و توسعه در بخش سیستم توربین گاز می‌باشد. در این تحقیق نیمی از برق خالص تولیدی در بخش سیستم بخار می‌باشد. بنابراین طراحی بهینه در بخش سیکل آب/بخار نیز بر بازدهی کلی نیروگاه مؤثر بوده و با بخش گازی برابر است. در نتیجه علاوه بر متغیرهای بخش گازی برخی متغیرهای مهم دربخش بخار نیز انتخاب گردید. نتایج به دست آمده نشانگر رسیدن به عملکرد بهینه در این روش بوده و می توان در مواقعی که بنابه شرایط محیطی، ترمودینامیکی و اقتصادی تغییر در برخی بخش های سیستم گازی نیروگاه غیر ممکن است با انتخاب متغیرهای تصمیم (در نظر گرفته شده در این پژوهش) در بخش سیستم بخار نیروگاه، به عملکرد بهینه دست یافت.

منابع

  1. Christos A. Frangopoulos. (2009).” Exergy, Energy System Analysis and Optimization”, Volume I, page21, EOLSS Publishers.
  2. Groniewsky A., (2013).” Exergoeconomic optimization of a thermal power plant using Particle swarm optimization”, Thermal Science: Vol. 17, No. 2, pp. 509-524.
  3. Yantovski E., (2000).” Exergonomics in education”, Energy 25, 1021–1031.
  4. Balli O., Haydar Aras and Arif Hepbasli. (2008).” Exergoeconomic analysis of a combined heat and power (CHP) system”, Int. J. Energy Res.32, 273–289.
  5. Kreith F., (2000).” The CRC Handbook of Thermal Engineering”, Boca Raton: by CRC Press        LLC.
  6. Fani M., Mozafari A., Farhanieh B., (2008). “Exergoeconomic Optimization of Black Liquor       Gasification Combined Cycle by use of Evolutionary and Conventional Iterative Exergoeconomic Optimization Method”, Accepted to be appeared in International journal of Chemical Reactor Engineering.
  7. Ahmadi P., Ibrahim Dincer. (2010).”Exergoenvironmental analysis and optimization of a   cogeneration plant system using Multimodal Genetic Algorithm (MGA)”, Energy 35, 5161-5172, Elsevier.
  8. Khorasani Nejad E., Hadi Choopan, S.Morteza Javadpour. (2012).” Exergoeconomic Multiobjective   Optimization of a Cogeneration Plant System Using Evolutionary Algorithm”, American Journal of Advanced Scientific Research, Vol. 1, Issue. 5, pp. 222-231.
  9. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M., (1996). “Thermal Design and Optimization”, John Wiley & Sons, Inc., U.S.A.
  10. Shakib S.E., amid pour M., Aghanajafi C., (2012).” Simulation and optimization of multi effect desalination coupled to a gas-turbine plant with HRSG consideration”, Desalination 285.
  11. Abedin A., McIlveen-Wright. (2013).” A Feasibility Study of Co-Firing Biomass in the Thermal       Power Plant at Soma in order to Reduce Emissions: an Exergy Approach”, Int. J. Environ. Res. 7(1), 139-154.
  12. Uhlenbruck F., Lucas K., (2004).” Exergoeconomically aided evolution strategy applied to a combined cycle power plant”, International Journal of Thermal Sciences 43, 289–296, Elsevier.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



1- استادیار گروه فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد آستارا (مسوول مکاتبات)

2- استادیار گروه مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی شهید عباسپور

3- استاد گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

  1. Christos A. Frangopoulos. (2009).” Exergy, Energy System Analysis and Optimization”, Volume I, page21, EOLSS Publishers.
  2. Groniewsky A., (2013).” Exergoeconomic optimization of a thermal power plant using Particle swarm optimization”, Thermal Science: Vol. 17, No. 2, pp. 509-524.
  3. Yantovski E., (2000).” Exergonomics in education”, Energy 25, 1021–1031.
  4. Balli O., Haydar Aras and Arif Hepbasli. (2008).” Exergoeconomic analysis of a combined heat and power (CHP) system”, Int. J. Energy Res.32, 273–289.
  5. Kreith F., (2000).” The CRC Handbook of Thermal Engineering”, Boca Raton: by CRC Press        LLC.
  6. Fani M., Mozafari A., Farhanieh B., (2008). “Exergoeconomic Optimization of Black Liquor       Gasification Combined Cycle by use of Evolutionary and Conventional Iterative Exergoeconomic Optimization Method”, Accepted to be appeared in International journal of Chemical Reactor Engineering.
  7. Ahmadi P., Ibrahim Dincer. (2010).”Exergoenvironmental analysis and optimization of a   cogeneration plant system using Multimodal Genetic Algorithm (MGA)”, Energy 35, 5161-5172, Elsevier.
  8. Khorasani Nejad E., Hadi Choopan, S.Morteza Javadpour. (2012).” Exergoeconomic Multiobjective   Optimization of a Cogeneration Plant System Using Evolutionary Algorithm”, American Journal of Advanced Scientific Research, Vol. 1, Issue. 5, pp. 222-231.
  9. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M., (1996). “Thermal Design and Optimization”, John Wiley & Sons, Inc., U.S.A.
  10. Shakib S.E., amid pour M., Aghanajafi C., (2012).” Simulation and optimization of multi effect desalination coupled to a gas-turbine plant with HRSG consideration”, Desalination 285.
  11. Abedin A., McIlveen-Wright. (2013).” A Feasibility Study of Co-Firing Biomass in the Thermal       Power Plant at Soma in order to Reduce Emissions: an Exergy Approach”, Int. J. Environ. Res. 7(1), 139-154.
Uhlenbruck F., Lucas K., (2004).” Exergoeconomically aided evolution strategy applied to a combined cycle power plant”, International Journal of Thermal Sciences 43, 289–296, Elsevier