بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی

بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی

فهرست مطالب
چكيده 1
فصل اول: نيروگاه سيكل تركيبي 3
1-1-a) توربين گازي 3
1-2-a) انواع توربين گازي 4
1-2-1-a) نيروگاه گازي مدار باز 4
1-1) مقدمه 7
1-2) تاريخچه 7
1-3) پارامترهاي الكتريكي و ترموديناميكي نيروگاه سيكل تركيبي 11
1-3-1) راندمان و نرخ حرارتي سيكل 11
1-3-2) بررسي عملكرد در پاره بار 13
1-3-3) حساسيت به شرايط محيطي 14
1-3-4) قابليت دسترسي (Availability) و قابليت اطمينان (reliability) 15
1-3-5) راه اندازي سرد و گرم
1-3-6) بهره برداري و كنترل 20
1-3-7) قدرت سيستم 21
1-3-8) كنترل دماي اگزوز 21
1-3-9) دماي احتراق 22
1-3-10) كار مخصوص 22
1-3-11) سوخت 22
1-3-12) انتخاب محل 23
1-3-13) تحويل 23
1-3-14) سرمايه گذاري و بررسي اقتصادي 24
1-3-15) نگهداري و تعميرات 25
فصل دوم: كلياتي در رابطه با ژنراتور سنكرون 26
2-1) اساس كار ژنراتور سنكرون 26
2-2) فرم و شكل منحني نيروي الكتروموتوري 29
2-3) پاندولي شدن ژنراتور سنكرون 31
2-4) تحريك ژنراتورهاي بزرگ 36
2-4-1) ژنراتورهاي بدون جارو 38
2-4-2) تنظيم سريع ولتاژ ژنراتور 39
2-5) خنك كردن ژنراتور 40
2-6) موازي بستن ژنراتورها (سنكرونيسم) 43
2-6-1) كنترل اتصال صحيح فازها 44
2-6-2) پارالل كردن ژنراتورها در عمل 44
2-6-2-1) اختلاف فاز 44
2-6-2-2) وجود اختلاف پتانسيل 44
2-7) پايداري سيستم انتقال انرژي 46
2-7-1) مشخصه قدرت 46
2-7-2) پايداري استاتيكي 48
2-7-3) پايداري ديناميكي 53
2-7-4) چگونگي تقويت پايداري 56
فصل سوم: نيروگاه بخاري 58
3-1) مقدمه 58
3-2) سيكل نيروگاه بخار 58
3-3) سيكل رانكين 59
3-4) اثرات فشار و درجه حرارت بر سيكل رانكين 61
3-5) سيكل باز گرمايش 65
3-6) سيكل بازياب 66
فصل چهارم: مقايسه نيروگاه توربين گازي- سيكل تركيبي و بخار خشك با
نرم افزار WASP 77
4-1) مقدمه 77
4-2) قيمت 1KW قدرت نيروگاه 79
4-3) راندمان 80
4-4) شرايط محيطي 80
4-5) روش كار و حالات مورد مقايسه 81
4-6) نتيجه گيري 82
4-7) حالات مورد مطالعه تكميلي 87
4-8) جمع بندي نهايي 89
4-9) كاربرد بررسي هاي به عمل آمده در انتخاب نيروگاه هاي موردنياز كشور 91
فصل پنجم: نيروگاه هاي سيكل تركيبي درايران، توجيه يا عدم توجيه اقتصادي 93
فصل ششم: تبديل نيروگاه گازي به سيكل تركيبي 99
6-1) مقدمه 99
6-2) تبديل نيروگاه هاي گازي به نيروگاه سيكل تركيبي 102
6-3) هزينه توليد برق 103
6-4) مقايسه نيروگاه گازي و نيروگاه سيكل تركيبي 106
6-5) نيروگاه هاي گازي موجود 109
6-6) صرفه جويي در هزينه با ارقام 110
6-7) خلاصه مطالب 112
فصل هفتم: نتيجه گيري و پيشنهادات 114
7-1) نتيجه گيري 114
7-2) پيشنهادات 115
فصل هشتم: پيوست ها: 116
پيوست الف: مفاهيم اوليه در اقتصاد الكتريسيته 116
الف-1) منحني بار روزانه 116
الف-2) منحني تداوم بار 117
الف-3) مفهوم بار پايه بار ميانب و بار پيك 117
الف- 4) پارامترهاي مهم در اقتصاد الكتريسيته 119
پيوست ب: محاسبه هزينه توليد انرژي الكتريكي 122
ب-1) مقدمه 122
ب-2) هزينه هاي وابسته به ميزان توان نامي 122
ب-2-1) هزينه ساليانه وابسته به ميزان سرمايه گذاري 122
ب-2-2) هزينه ساليانه وابسته به آماده نگهداشتن نيروگاه جهت بهره برداري 123
ب-2-3) هزينه كل ساليانه وابسته به ميزان توان نامي نيروگاه 124
ب-3) هزينه هاي وابسته به ميزان انرژي توليدي 124
ب-3-1) هزينه سوخت مصرفي 124
ب-3-2) هزينه هاي وابسته به بهره برداري 125
ب-3-3) هزينه كل ساليانه وابسته به ميزان انرژي الكتريكي 125
ب-4) هزينه ساليانه توليد برق نيروگاه 125
ب-5) هزينه ويژه توليد برق 126
ب-6) هزينه ويژه توليد برق با احتساب مصرف داخلي نيروگاه 127
مراجع 128

چكيده:

با استناد بر آمارهاي اعلام شده از سوي وزارت نيرو در سال 1381، ظرفيت مجموع نيروگاه هاي گازي و سيكل تركيبي كشور حدود 13000 مگاوات است كه معادل 44% مجموع كل قدرت نصب شده در كشور مي باشد. نيروگاه هاي سيكل تركيبي به دلايلي از قبيل راندمان بالاتر، طول عمر بيشتر، هزينه توليد برق كمترو پارامترهاي مهم ديگري كه به تفصيل به آنها پرداخته خواهد شد از نظر تئوريك بر نيروگاه هاي گازي ارجحيت دارند. اما با توجه به طرح هاي در دست

بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی

اجراي وزارت نيرو براي تبديل نيروگاه هاي گازي به سيكل تركيبي، مي بايست پارامترهاي مطرح شده در بحث مقايسه به آن سمت سوق داده شوند. در اين مطالعه سعي شده است پس از بررسي هاي علمي و ساختاري سه نوع نيروگاه گازي، بخار و سيكل تركيبي از دو ديدگاه الكتريكي و ترموديناميكي در سه فصل جداگانه، در مبحثي به مقايسه اين سه نوع نيروگاه پرداخته، سپس با ديدي واقع بينانه تر و با تكيه بر آمار و ارقام سازمان توانير از نيروگاه هاي نصب شده داخلي، به مسئله توجيه يا عدم توجيه اقتصادي سيكل هاي تركيبي پرداخته و در نهايت به صورت اختصاصي مبحث تبديل نيروگاه هاي گازي و سيكل تركيبي مطرح گردد.

فصل اول: نيروگاههاي گازي و سيكل تركيبي
1-1-a) توربين گاز:
توربين گاز در حقيقت نوعي از موتورهاي احتراق داخلي است. در اين دستگاه به جاي اينكه اعمال اصلي تراكم، احتراق و انبساط در داخل عضو واحدي بطور متناوب يكي از ديگري صورت گيرد (موتور متناوب) در سه محل يا سه عضو جداگانه يا سه كمپرسور، اطاق احتراق و ماشين انبساط (دتاندور) توربين بطور دائم انجام مي پذيرد. شكل 1-1-a اين سه قسمت را بطور كاملاً شماتيك نشان مي دهد.

شكل 1-1-a) توربين گاز
توربين (دتاندور) و كمپرسور بصورت استوانه هايي هستند كه در محيط آنها در چند رديف يا حلقه متوالي پره اي مورب كار گذاشته اند و يك درميان مابين رديف پره هاي محرك پره هاي ساكن وجود دارد كه منصوب به جدار خارجي است. چرخ ها حركت دوراني سريع دارند و گاز از ميان پره ها حركت مي نمايد. مابين پره هاي متحرك و ذرات گاز توافق سرعت و تبادل انرژي سينيتيك بعمل مي آيد و در داخل پره هاي ساكن سرعت و فشار گاز به يكديگر تبديل مي شوند.
به اين ترتيب در كمپرسور مرتباً پره هاي متحرك به ذرات گاز سرعت مي دهند و اين سرعت در پره هاي ساكن بعد مبدل به فشار مي شود تا اينكه فشار بقدر كافي بالا مي رود. هواي فشرده گرم وارد اطاق احتراق شده در آنجا با سوخت تركيب مي شود و درجه حرارت بالا مي رود. هواي فشرده گرم وارد اطاق احتراق شده در آنجا با سوخت تركيب مي شود و درجه حرارت بالا مي رود. گاز سوخته داغ متراكم در لابلاي پره هاي ساكن توربين در نتيجه تغيير مقطع كسب سرعت مي نمايد و چون به پره هاي متحرك برمي خورد آنها را به گردش درآورده انرژي سينتيك خود را از دست مي دهد. در رديف پره هاي بعد مجدداً فشار تبديل به سرعت تبديل به انرژي مكانيك و منتقل به جرح مي گردد تا آنكه بالاخره فشار به اندازه فشار جو رسيده گاز سوخته انبساط يافته از دهانه تخليه خارج مي شود.

بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی
1-2-a) انواع توربين گازي:
نيروگاه توربين گازي را مي توان كلاً به دو نوع (مدار باز) و (مدار بسته) تقسيم كرد.
1-2-1-a) نيروگاه گازي مدار باز:
شكل 1-2-a يك نيروگاه گازي ساده با مدار باز را نشان مي دهد. در ضمن تحولات چنين نيروگاهي نيز در دياگرام T-S رسم شده است.
چنانچه مشاهده مي شود كمپرسور هواي خارج 1 را مي مكد و متراكم كرده به فشار 2 مي رساند. اين هواي فشرده گرم وارد اطاق احتراق مي شود در آنجا تحويل احتراق و هوا بطريق ايزوبار (در فشار ثابت) انجام مي شود و حرارت هوا به نقطه 3 مي رسد. گاز سوخته داغ متراكم شده وارد توربين شده و در آنجا از 3 تا 4 انبساط مي يابد و با درجه حرارت توربين خارج مي شود. در ضمن تحولات بدون تلف تراكم و انبساط آدياباتيك جهت مقايسه بطور نقطه چين رسم شده است. شكل (1-2-a)
شكل 1-2-a) شماتيك توربين گازي
از نظر تئوري سطح داخلي نقاط 1-2′-3′-4′”-1 كار توليدشده در اثر يك كيلوگرم عنصر كارگر (گاز) است و نسبت اين سطح به سطح كل 1′-2’3″-4″-1′ نمايشگر راندمان تئوريكي تحولات دستگاه است بويژه سطح 1′-1-4″-4″-1′ نمايشگر انرژي حرارتي تلف شده در اثر خروج يك كيلوگرم گازي است كه از توربين خارج مي شود.
با به حساب آوردن تلفات فشار در لوله هاي رابط تلفات تشعشعات حرارتي تلفات سوخت در اطاق احتراق، تلف داخلي كمپرسور و توربين، تلفات مكانيكي و الكتريكي در ژنراتور نمي توان راندمان حرارتي دستگاه را از روي دياگرام مذكور مستقيماً بدست آورد. با درجه حرارت نهايي كه در دياگرام T-S داده شده مي توان راندمان حرارتي تحولات يا تلف نيروگاه را طبق رابطه زير محاسبه كرد: [12]

در اين رابطه:
GI = وزن هواي مكيده شده.
Gr = وزن هوا با گاز سوخته
G1=Gr = درصورتيكه ضريب حرارتي سوخت بالا باشد.
i1=Cp.t1 = آنتالپي (حرارت فعال) هوا در مدخل ورودي كمپرسور.
i2=CP2.t2 = آنتالپي هوا در مدخل خروجي كمپرسور.
i3=CP3.t3 = انتالپي گاز در مدخل ورودي توربين
i4=CP4.t4 = انتالپي گاز در مدخل خروجي توربين.
nm = راندمان مكانيكي بطور مجزا براي كمپرسور و توربين
nGetr = راندمان جعبه دنده ها و اتصال ها و كوپلونگ ها.
Gbr = وزن سوخت وارد شده به اطاق احتراق براي بالا بردن درجه حرارت به t3 با توجه به احتراق و تلفات تشعشعي.
H2 = كوچكترين ضريب حرارتي ماده سوخت.
ng = راندمان ژنراتور.
راندمان حرارتي چنين نيروگاهي خيلي كوچك و در حدود %25-15 مي باشد و چنانچه ديده مي شود راندمان حرارتي توربين گازي ساده خيلي كوچكتر از راندمان حرارتي توربين بخاري با كندانسور مي باشد. در اين نيروگاه (دادن) و (پس دادن) كالري با فشار ثابت انجام مي گيرد لذا تحولات ايزوبار است و عنصر كارگر (هوا) از اتمسفر (هواي آزاد) گرفته مي شود و پس از انجام كار مجدداً وارد اتمسفر مي شود.
علت كم بودن راندمان توربين گازي همانطور كه شكل 1-2-a نشان مي دهد حرارت زيادي است كه بدون بهره از توربين خارج مي شود. اين تلف حرارتي برابر با سطح 1′-1-4-4′-1′ در دياگرام TS مي باشد و همين دياگرام نشان مي دهد كه براي بهتركردن راندمان حرارتي بايد حرارت (4) گاز خروجي تا آنجا كه ممكن است بازيافتي شود. به اين جهت همانطور كه شكل 1-3 نشان ميدهد حرارت گاز خروجي (5) براي بالابردن حرارت هواي تراكم يافته (2) استفاده مي شود.

بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی
با اين حرارت بازيافتي، حرارت هواي متراكم بعد از كمپرسور و قبل از وورد به اتاق احتراق (3) مي رسد و در نتيجه حرارت گاز خروجي از (5) به 06) نزول مي كند و تلف حرارتي گاز خروجي برابر مي شود تا سطح 1′-1-6-6′-1′ در نتيجه بازيافتي حرارت گازهاي خروجي توربين كه حتي مافوق درجه حرارت بعد از تراكم هوا است مقداري از انرژي اتلافي تخليه مجدداً وارد مدار مي شود و در ضمن اينكه تا حدي نيز از مصرف سوخت صرفه جوئي مي گردد راندمان حرارتي توربين را تا حدود 32% ترقي مي دهد.

نيروگاه سيكل تركيبي:
1-1) مقدمه:
در نيروگاه سيكل تركيبي به منظور بازيافت بيشتر از حرارت موجود در دود خروجي توربين گاز ديگ مولد بخار در مسير دود گرم قرار داده شده و بخار حاصل از آن در يك توربين بخار توليد انرژي برق مي نمايد كه راندمان واحد گازي در شرايط فعلي، از حدود 30% تا حدود 47% ترقي مي نمايد كه حتي بالاتر از راندمان نيروگاههاي بخاري تكامل يافته است.
1-2) تاريخچه:
سيكل تركيبي از مدت ها قبل ذهن صنعتكاران را بخود مشغول كرده است و موقعي كه در جولاي 1949 نيروگاه Oklahoma Gas and Electric Belle Isle وارد بهره برداري گرديد اين كوشش ها به منتهاي خود رسيد در اولين نيروگاههاي سيكل تركيبي، بار توربين بخار حدود 15% كل توليدي بوده و راندمان 38% با احتراق كليه مشعل ها حاصل مي شد بهبود راندمان توربين گاز، توان مخصوص، باعث ساخت بويلرهاي فعلي گرديد در اين سيستم ها حدود 55% بار را توربين گاز و بقيه را توربين بخار تأمين نموده و بويلرها داراي مشعل مي باشند در صورت كاربرد بويلرهاي بدون مشعل بار توربين گاز به حدود 70% خواهد رسيد راندمان فعلي نيروگاه ها 44% مي باشد.
سيكل برايتون (توربين گاز ايده آل) را در نظر مي گيريم.

شكل 1-1) سيكل برايتون
تحولات انجام شده در توربين گاز در دياگرام هاي فوق نشان داده شده است.
خصوصيات سيكل رانكين (نيروگاه بخار) در اشكال زير ديده مي شود:

شكل 1-2) سيكل رانكين
در سيكل تركيبي گاز خروجي از توربين گاز بداخل يك بويلر برده شده و از حرارت آن براي گرمايش آب و توليد بخار استفاده مي كنند بخار توليدي در يك توربين بخار كار انجام داده و در نهايت توربين گاز اوليه و توربين بخار، ژنراتوري را بحركت در مي آورند و اين ژنراتور الكتريسيته موردنياز را تأمين مي نمايد. همانطور كه ملاحظه مي شود در سيكل تركيبي دو سيكل برايتون و رانكين تشكيل يك سيستم را مي دهند.

شكل 1-3) دياگرام سيكل تركيبي (تقريبي)
اكنون انگيزه هاي خود را در قالب نمودارهاي زير براي بررسي سيكل تركيبي بيان مي كنيم. همانطور كه ديده مي شود سيكل تركيبي داراي راندمان بهتري نسبت به توربين گاز و توربين بخار مي باشد (شكل 1-4) و مقدار سرمايه گذاري اوليه آن نسبت به سيستم هاي بخار عادي و توربين گازي و نيروگاه اتمي نيز در شكل (1-5) ملاحظه مي گردد و در جدول 1-1 مخارج سرمايه گذاري اوليه را بطور نسبي و بشكل عددي براي نيروگاه هاي مختلف مي توان ديد.

شكل 1-5) قيمت توليد الكتريسيته براي سيستم هاي مختلف

شكل 1-6) تغييرات راندمان در سيستم هاي مختلف
تفاوت راندمان سيكل تركيبي و بخاري با تكنولوژي فعلي خود H=185Kcal/KWH مي باشد كه اين باعث مصرف كمتر سوخت و حمل و نقل و تصفيه و قيمت ارزانتر و آلودگي و سرمايه گذاري كمتر خواهد بود.
اكنون اندكي به تاريخچه و واحدهاي نصب شده سيكل تركيبي مي پردازيم.
جدول 1-1 قيمت نسبي نصب نيروگاه [4]
نوع نيروگاه قيمت نسبي نصب
اتمي (1000 مگاواتي) 5/2
بخار- ذغالي 2
بخار- سوخت مايع 6/1
سيكل تركيبي بدون مشعل 1
توربين گاز 6/0

1-3) پارامترهاي الكتريكي و ترموديناميكي نيروگاه سيكل تركيبي:
در اين فصل به بررسي تفصيلي جزئيات پرداخته و هريك از آنها را مورد مطالعه قرار مي دهيم.
1-3-1) راندمان و نرخ حرارتي سيكل
سيكل ترموديناميكي توربين گاز و توربين بخار و سيكل تركيبي در قسمت اول نشان داده شد عملكرد سيكل تركيبي بستگي زياد به روش گرمايش آب تغذيه، وجود مشعل در بويلر، راندمان توربين گاز، دماي اگزوز و قيمت آن دارد. راندمان توربين گاز به شكل زير مي تواند تعريف شود:

با بسط اين تعريف مي توان رابطه زير را براي راندمان توربين گاز در سيكل ساده بدست آورد:

بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی

NSC راندمان توربين گاز و SWG كار مخصوص توربين گاز برحسب (كيلوثانيه برهر كيلوگرم دبي هواي توربين گاز) و Hx آنتالپي دماي اگزوز توربين گاز برحسب (كيلوكالري بر كيلوژول) و HA آنتالپي هواي محيط برحسب (كيلوكالري بر كيلوژول) و L افت ها بصورت بخشي از حرارت ورودي به سيكل (تقريباً برابر است با 08/0) و K برابر 860 كيلوكالري بر كيلووات ساعت مي باشد.
حال اگر راندمان سيكل تركيبي بدون مشعل در نظر باشد مي توان قدرت خروجي توربين گاز و بخار را بركل حرارت ورودي به توربين گاز تقسيم نمود و رابطه زير را بدست آورد:
نرخ حرارتي خالص سيكل تركيبي
كه در آن SWS كار مخصوص توربين بخار مي باشد همانطور كه ديده مي شود كار مخصوص توربين گاز و بخار هردو بر روي راندمان سيكل تركيبي اثر مي گذارند. نتيجه دو فرمول فوق به صورت نرخ حرارتي در شكل 1-6 نمايش داده شده است.

شكل 1-6) تغييرات نرخ حرارتي برحسب دماي اگزوز كار مخصوص در سيستم بدون مشعل
جدول 1-2) قيمت نسبي اجزاي سيكل تركيبي نسبت به قيمت كل [4]
Power Island قسمت هاي نيروگاه درصد قيمت از كل
توربين گاز، ژنراتور، كنترل ها 37% – 34%
مولد بخار (HRSG) 12% – 13%
توربين بخار، ژنراتور 9%-8%
قسمت هاي الكتريكي نيروگاه 4% – 3%
جمع: 62% – 58%
Balance of plant لوازم كمك الكتريكي و مكانيكي 12%-14%
ساختمان، مهندسي، كارهاي انجام شده در محل 20%-22%
متفرقه 6%
جمع: 38%-42%
جمع كل: 100%

در بررسي راندمان بايد دو عامل زير را در نظر گرفت:
1- كار مخصوص توربين گاز اثر مهمي در نرخ حرارتي سيكل تركيبي دارد.
2- كاربرد توربين گاز با كار مخصوص و دماي اگزوز بيشتر باعث افزايش نرخ حرارتي مي شود.
1-3-2) بررسي عملكرد در پاره بار (Part Load)
سيكل تركيبي با راندمان بهتري در پاره بار كار مي كند زيرا مي توان بار را بوسيله چند عامل مهم كنترل نمود، اين عوامل IGV پره هاي هدايت ورودي و روشن و خاموش كردن مشعل ها و در

بررسی پروسه تبدیل نیروگاه گازی به سیکل ترکیبی از دیدگاه فنی و اقتصادی

پسورد فایل: www.bazaarfile.ir