افزايش عملكرد بويلر درسيكل نيروگاهي و تحليل انرژي و اگزرژي بويلر

مفهوم اگزرژی نه‌تنها در بررسی راندمان بلکه در تحلیل اقتصادی و ارزیابی مالی سیستم‌ها حائز اهمیت است. هزینه‌ها دربردارنده ارزش انرژی هستند. از تحلیل اگزرژی سیکل حرارتی نیروگاه نتیجه گرفته می‌شود فرآیندهای احتراق و انتقال حرارت در بویلر عوامل اصلی نابودی اگزرژی می‌باشند. همان‌طور که مشاهده می‌شود تحلیل اگزرژی، بویلر را مهم‌ترین نابودکننده اگزرژی معرفی می‌کنند، زیرا انتقال انرژی بویلر به سیال سیکل همراه با تولید آنتروپی زیاد بوده و باعث کاهش کیفیت انرژی در بویلر می‌شود و با استفاده از تحلیل اگزرژی مشخص شد که با کاهش ضریب هوای اضافی احتراق از 4/0 تا 15/0 بازده انرژی و اگزرژی بهبود یافته به ترتیب 497/0 درصد و 46/0 درصد افزایش می‌یابند و درمجموع، بازده انرژی و اگزرژی 957/0 درصد افزایش می‌یابد.

سیکل (چرخه):

وقتی‌ که یک سیستم از حالت اولیه چندین فرآیند متفاوت را طی کند و در نهایت به حالت اولیه خود بازگردد، سیستم یک سیکل (چرخه) را طی کرده است. در برخی تجهیزات نظیر موتورهای احتراق داخلی و توربین گاز، اگرچه خود موتور یک چرخه مکانیکی را طی می‌کند اما سیال فعال چرخه ترمودینامیکی را طی نخواهد کرد. در این موارد سیال فعال در خاتمه ترکیبی متفاوت یا حالتی متفاوت با لحظه شروع سیکل خواهد داشت. این‌گونه چرخه‌ها، چرخه باز نامیده می‌شوند.

سیکل رنکین :

 

سیکل چهار فرایندی ایده آل زیر را در نظر بگیرید که حالت 1 مایع اشباع و حالت 3 بخار اشباع یا بخار فوق گرم است.به این سیستم سیکل رنکین گفته می‌شود و مدل ساده نیروگاه بخار است.

در سیکل ترکیبی محور اصلی تمام فعالیت‌ها در نیروگاه، تلاش برای به حداقل رساندن تولید آنتروپی و برگشت‌ناپذیری‌های چرخه ترمودینامیکی است که درنهایت منجر به افزایش راندمان نیروگاه می‌شود. راندمان معیاری است برای ارزیابی اقتصادی نیروگاه ازجمله سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه سوخت و هزینه کارکرد. برای رسیدن به این هدف، روش‌های مختلفی بر اساس عملکرد سیکل نیروگاه اتخاذشده است. ازجمله این روش‌ها در نیروگاه‌های بخار پیشرفته، به کار بردن مبدل‌های حرارتی سوپر هیت و گرم‌کن مجدد، ایجاد خلأ زیاد در کندانسور و استفاده از بازیاب های مختلف به‌عنوان گرم‌کن آب تغذیه است.پیشرفت تاریخی اگزرژی طبیعتاً با پایه‌گذاری مفهوم قانون دوم ترمودینامیک شروع شد، که کار دو تن از دانشمندان بنام‌های کارنو در سال 1824 و گیبس در سال 1875 بود.

توربین‌های گازی کاربرد گسترده‌ای در بخش تولید انرژی الکتریکی، افزایش فشار در ایستگاه‌های انتقال گاز و تولید قدرت لازم در کمپرسورهای افزاینده فشار خط و غیره را دارند. از معایب این توربین‌ها، تحت تأثیر قرار گرفتن بازده  و توان خروجی در اثر شرایط جوی و محیطی هست. توان خروجی توربین گازی تابع دما و شرایط محیط هست. توربین‌های معمولی به ازای هر یک درجه سانتی‌گراد افزایش دما .5% - 9% کاهش قدرت خواهند داشت (1).

ای. سیوبا و همکار او با بررسی دو نوع سیکل ساده و پیچیده نیروگاه‌های حرارتی بر پایه تحلیل اگزرژی، تأثیر پارامترهای ترمودینامیکی سیکل اعم از فشار و دمای بخار اصلی و بخار باز گرمایش شده و فشار بخارهای زیرکش شده از توربین‌ها و همچنین تعداد گرم‌کن‌ها در سیکل را با در نظر گرفتن محدودیت اقتصادی و تکنولوژی ساخت، قابلیت کار دهی این سیکل‌ها را بررسی و مقادیر بهینه‌ای را برای این پارامترها به دست آورده است. و همکار او، تحلیل اگزرژی بر روی نیروگاه‌های حرارتی و نیروگاه‌های تولید همزمان انجام داده و افت کارایی این نیروگاه‌ها درنتیجه بازگشت‌ناپذیری‌های فرآیند انتقال حرارت و احتراق در بویلر را بررسی و پارامترهای مؤثر در کاهش نابودی اگزرژی در بویلر اعم از میزان هوای اضافی، پیش گرم کردن هوای ورودی و گازهای برگشتی به بویلر را مطالعه کرده است.

مشکل اساسی یک سیکل توربین گاز ساده، بازده حرارتی نسبتاً پایین آن است. ماکزیمم بازده در یک سیکل توربین گاز ساده 35 % است (1و2). با بازیافت انرژی‌های حرارتی حاصل از گاز خروجی توربین گاز و تولید بخار در یک بویلر بازیاب، می‌توان بازده سیکل ساده را افزایش داد. اگر بخار تولیدشده برای مصارف صنعتی به کار رود سیستم، مولد قدرت سیکل ترکیبی نامیده می‌شود. از مزایای سیکل ترکیبی بازده حرارتی آن است که در شرایط کارکرد بهینه می‌تواند تا مقدار ماکزیمم 60% برسد (1و2). سیستم‌های سیکل ترکیبی به خاطر مزایایشان به‌طور فزاینده‌ای در نیروگاه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. ترکیب دو یا بیشتر سیکل ترمودینامیکی بهبود در بازده کلی و کاهش مصرف سوخت را به همراه دارد. سیستم سیکل ترکیبی، دو نوع سیکل ترمودینامیکی، سیکل حرارتی برایتون ( توربین گاز) و سیکل رانکین (توربین بخار) را شامل می‌شود. این دو سیکل ترمودینامیکی به‌وسیله بویلر بازیاب به هم مرتبط اند. بویلر بازیاب گرما را از گاز خروجی از توربین گاز استخراج می‌کند و از آن برای تولید بخار استفاده می‌کند که این بخار در بکار اندازی توربین بخار پایین‌دست مورداستفاده قرار می‌گیرد.

آتاناسویسی (1و2) در سال 2000 بازده انرژی رابین سیستم‌های تولید همزمان و نیروگاه‌های سیکل ترکیبی مقایسه نمود.

دیدگاه انرژی (قانون اول ترمودینامیک) و دیدگاه اگزرژی (قانون دوم ترمودینامیک) است که با تلفیق مفاهیم اقتصادی با این دیدگاه‌ها، دیدگاه ترمواکونومیک به وجود می‌آید.

از میان روش‌ها می‌توان تکنولوژی پینچ، تحلیل اگزرژی، روش تلفیقی پینچ و اگزرژی و روش‌های مختلف ترمواکونومیک را نام برد (1و2).

همچنین اگزرژی برای مهندسی عملکرد و طراحی و بهینه‌سازی مفید است. پس اگزرژی را می‌توان روش منطقی برای بررسی راندمان، سوخت‌ها و منابع فرایند، هزینه‌ها، اتلاف‌ها و ارزش و قیمت خروجی سیستم‌ها در نظر گرفت.

 حبیب (3) تحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه گاز الآن در عربستان جهت شناسایی تجهیزات با تخریب انرژی و اگزرژی بالا، را انجام داد.

کوپک (4) تجزیه‌وتحلیل انرژی و اگزرژی نیروگاه حرارتی کاتالاقزی در ترکیه جهت بررسی تأثیر دمای محیط بر نرخ برگشت‌ناپذیری و راندمان اگزرژی اجزای نیروگاه را انجام داد. روزن (5) تحلیل انرژی و اگزرژی و مقایسه دو نیروگاه، یکی با سوخت زغال‌سنگ و دیگری با سوخت هسته‌ای و مقایسه دو نیروگاه جهت شناسایی نقاط بالقوه‌ای جهت بهینه‌سازی و افزایش بازده را انجام داد. مبانی تئوری اگزرژی در طی سال‌های 1950 تا 1966 ، توسط پژوهشگرانی نظیر گراسمن (Grassman)، فراتشر (Faratzcher)، السنر (Elsner) و نسلمن (Nesselman) توسعه یافت که نتایج این مطالعات، انجام محاسبات مربوط به تحلیل اگزرژی در سیستم‌های مختلف، انرژی بوده است (6). E.Sciubbaو همکاران، (7) بررسی دو نوع سیکل ساده و پیچیده نیروگاه‌های بخار بر پایه تحلیل اگزرژی، تأثیر پارامترهای ترمودینامیکی سیکل اعم از فشار و دمای بخار اصلی و بخار باز گرمایش شده و فشار بخارهای زیرکش شده از توربین‌ها و همچنین تعداد گرم‌کن‌ها در سیکل را با در نظر گرفتن محدودیت‌های اقتصادی و تکنولوژی بررسی کرده و مقادیر بهینه‌ای را برای این پارامترها به دست آورده است.

Yao.Kang و همکاران (8)، فرایند احتراق در بویلر را بررسی و روش‌های بهبود عملکرد آن را موردمطالعه قرار داده است. Cornelissen و همکاران (9)، با استفاده از تکنولوژی Pinch و ترکیب آن با تحلیل اگزرژی در شبکه مبدل‌های حرارتی، روش‌های بهینه‌سازی آن را در بویلرهای نیروگاهی مدرن امروزی موردتوجه قرار داده است.

در خلال دو دهه پیشین با بالا رفتن قیمت انرژی و آسیب‌های زیست‌محیطی و نیز محدود بودن منابع اصلی انرژی‌های تجدید ناپذیر، صرفه‌جویی در این منابع ارزشمند، روزبه‌روز اهمیت بیشتری یافته است.

کرنل ایسن ار.ال و همکار او، استفاده از تکنولوژی پینچ و ترکیب آن با تحلیل اگزرژی در شبکه مبدل‌های حرارتی، روش‌های بهینه‌سازی آن‌ها را در بویلرهای نیروگاهی مدرن امروزی موردتوجه قرار داده است.

ویژگی‌های اگزرژی

1- سیستمی که با محیط در تعادل است، اگزرژی آن صفر است.

2- وقتی انرژی کیفیت خود را از دست دهد، اگزرژی آن از بین می‌رود.

3- با انحراف بیشتر سیستم از محیط، اگزرژی آن افزایش می‌یابد. برای مثال اگزرژی ظرف آب گرم در هوای سرد بیشتر از اگزرژی همان ظرف در هوای گرم است.

4- برخلاف بازده انرژی که پر از گمراهی است، بازده اگزرژی معیاری برای رسیدن به ایده آل است.

تفاوت های انرژی و اگزرژی

 تفاوت‌های انرژی و اگزرژی در جدول زیر خلاصه‌شده است. 

اگزرژی

انرژی

به مشخصات سیستم و محیط بستگی دارد.

فقط به مشخصات ماده بستگی دارد و مستقل از محیط است.

در حالت تعادل کامل با محیط مقدار آن صفر است.

در حالت تعادل با محیط دارای مقادیر غیر صفر است.

بر اساس قانون دوم ترمودینامیک برای فرآیندهای برگشت‌پذیر پایستار باقی می‌ماند و برای فرآیندهای واقعی توسط برگشت‌ناپذیری‌ها از بین می‌رود.

بر اساس قانون اول ترمودینامیک در تمامی فرآیندها پایستار باقی می‌ماند.

در فرآیند برگشت‌پذیر نه از بین می‌رود و نه تولید می‌شود ولی همیشه در فرآیند برگشت‌ناپذیر از بین می‌رود.

نه تولید می‌شود و نه از بین می‌رود

در شکل‌های مختلف ظاهر می‌شود ( اگزرژی جنبشی و پتانسیل، کار و اگزرژی) و بر اساس کار با توانایی تولید کار اندازه گرفته می‌شود.

در شکل‌های مختلف ظاهر می‌شود (انرژی جنبشی و پتانسیل، کار و گرما) و در همان شکل اندازه‌گیری می‌شود.

معیاری برای اندازه‌گیری کمیت و کیفیت است.

معیاری برای اندازه‌گیری کمیت است.

 

 

مفهوم اگزرژی نه‌تنها در بررسی راندمان بلکه در تحلیل اقتصادی و ارزیابی مالی سیستم‌ها حائز اهمیت است. هزینه‌ها دربردارنده ارزش انرژی هستند.

 

مفهوم اگزرژی

اگزرژی به مفهوم حداکثر کار مفیدی است که از یک جریان ماده و یا انرژی قابل حصول بوده و ارزیابی آن بر مبنای قانون دوم ترمودینامیک هست. مطابق این قانون، در هر فرآیند واقعی، تولید آنتروپی مترادف با نابودی اگزرژی در آن فرآیند هست. هدف اساسی تحلیل اگزرژی، شناخت محل و مقدار بازگشت‌ناپذیری فرآیندهای مختلف یک سیستم ترمودینامیکی هست که با شناخت از آن می‌توان میزان و نحوه بهبود عملکرد آن سیستم را بررسی نمود.

 

- مدل‌سازی بویلر نیروگاه حرارتی

 بویلر نیروگاه با ظرفیت اسمی 368 MW، دارای سوپرهیتر دماپایین، متوسط و بالا، همچنین ری هیتر دماپایین و بالا بوده و در طبقات انتهایی آن اکونومایزر قرار دارد.نحوه آرایش این مبادله‌کن‌های گرمایی به‌صورت افقی بوده و نحوه گردش سیال در او اپراتور آن به شکل اجباری است.

-تأثیر ضریب هوای اضافی بر نابودی اگزرژی در بویلر

با توجه به کاهش نابودی اگزرژی در فرآیند انتقال حرارت در مبادله‌کن‌های گرمایی و افزایش آن در فرآیند احتراق با سوخت مازوت نقطه مینیممی برای نابودی اگزرژی دربار یادشده وجود خواهد داشت  که این نقطه مینیمم برای ضریب هوای اضافی در محدوده  -دیدگاه انرژی ( قانون اول ترمودینامیک)

 

روش‌های رایج و کلاسیک تحلیل سیستم‌های انرژی روابط موازنه انرژی و موازنه جرم به محاسبه بازده سیستم می‌پردازند و به‌این‌ترتیب تحلیلی از کل سیستم ارائه می‌دهند. اما این تحلیل که صرفاً به‌وسیله موازنه انرژی انجام می‌شود، دارای محدودیت‌هایی است که ناشی از ذات قانون اول ترمودینامیک است زیرا در قانون اول، هیچ‌گونه تمایزی بین گرما و کار در نظر گرفته نمی‌شود و کیفیت گرما در فرآیند انتقال حرارت را مشخص نمی‌نماید.

قانون اول ترمودینامیک نمی‌تواند در تحلیل‌های ترمودینامیکی منابع اتلاف را مشخص نماید. این قانون صرفاً عملکرد یک سیستم را نشان می‌دهد و برای تحلیل اجزای یک سیستم کارایی لازم را ندارد. با توجه به مطالب مذکور، دیدگاه قانون دوم ترمودینامیک مطرح می‌گردد که بابیان مفاهیمی همچون اگزرژی به کمک مهندسین در تحلیل کامل سیستم‌های انرژی می‌آید (1و2).

- دیدگاه اگزرژی (قانون دوم ترمودینامیک)

ازآنجاکه طبق قانون اول ترمودینامیک، انرژی از بین نمی‌رود، ما احتیاج به بیان مفهومی دیگر برای تحلیل سیستم‌های انرژی‌داریم که قابلیت نابود شدن را داشته باشد تا بتواند اتلافات را در اجزای مختلف یک سیستم حرارتی نشان دهد. این مفهوم، همان اگزرژی است. مفهوم اگزرژی توانایی ذخیره شدن، انتقال و یا نابودی را دارد. همچنین این مفهوم بین انرژی‌های مختلف تمایز می‌گذارد و با تعریف توانایی انجام کار هر انرژی، کیفیت هر نوع انرژی را تعیین می‌کند. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، مفاهیمی همچون آنتروپی، بازگشت‌ناپذیری و غيره  بیان می‌شود که در محاسبه اگزرژی و تحلیل سیستم‌ها به کار می‌روند .

نتیجه‌گیری

 

از تحلیل اگزرژی سیکل حرارتی نیروگاه نتیجه گرفته می‌شود فرآیندهای احتراق و انتقال حرارت در بویلر عوامل اصلی نابودی اگزرژی می‌باشند. همان‌طور که مشاهده می‌شود تحلیل اگزرژی، بویلر را مهم‌ترین نابودکننده اگزرژی معرفی می‌کنند، زیرا انتقال انرژی بویلر به سیال سیکل هم را با تولید آنتروپی زیاد بوده و باعث کاهش کیفیت انرژی در بویلر می‌شود، همچنین اگرچه اتلافات انرژی در کندانسور ازلحاظ مقدار بیشتر از سایر اجزاء است ولی باید توجه کرد که کیفیت پایینی دارد چراکه دمایش به دمای محیط نزدیک است. تأثیر پارامترهای دمای ورودی آب تغذیه بویلر و همچنین دمای سیال ورودی به توربین روی راندمان حرارتی در نمودارها مشخص است و نشان می‌دهد که راندمان حرارتی با افزایش این پارامترها افزایش می‌یابد.و همچنين با استفاده از تحلیل اگزرژی مشخص شد که با کاهش ضریب هوای اضافی احتراق از 4/0 تا 15/0 بازده انرژی و اگزرژی بهبودیافته به ترتیب 497/0 درصد و 46/0 درصد افزایش می‌یابند و درمجموع، بازده انرژی و اگزرژی 957/0 درصد افزایش می‌یابد. اگر از هوای احتراق در فرایند احتراق استفاده شود، بازده انرژی و اگزرژی بهبودیافته تقریبا به ترتیب 796/0 درصد و 736/0 درصد افزایش می یابد.

 

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید