روش تحلیل دیگری که از مزایای بیشتری نسبت به روشهای گفته شده برخوردار است روش تمواکونومیک است. این روش شاخهای از تمودینامیک کاربردی است که با روشهای بهینه سازی و تحلیل فرآیند بر معنای قانون دوم و مفهوم اگزرژی سروکار دارد. این تحلیل به تنهایی شامل تکنیکهای بهینه سازی نمیگردد بلکه این روش تابع هدف را تعیین میکند و سپس بهینه سازی واقعی عملکرد فرآیند به وسیله روشهای مفهومی تکرار شونده، ریاضیاتی و یا تکنیکهای هوش مصنوعی انجام میشود. در این پایاننامه با معرفی نیروگاه سیکل ترکیبی منتظرقائم به عنوان نیروگاه مورد مطالعه، ابتدا با استفاده از نرم افزار مطلب شبیه سازی شده و سپس با استفاده از روش تمواکونومیک مورد تحلیل و بهینه سازی فنی و اقتصادی قرار میگیرد. معیار ارزیابی در بهینه سازی، تابع هدف هزینه کل است که شامل قسمتهای مربوط به هزینههای جاری و هزینههای سرمایه گذاری میباشد.
در پایان نیز متغیرهای تصمیم گیری نسبت فشار کمپرسور، بازده ایرونتروپیک کمپرسور، بازده ایرونتروپیک توربین گاز، بازده ایرونتروپیک توربین بخار، دمای ورودی به توربین بخار، فشار کندانسور، بازده ایزونتروبیک پمپ و دمای ورودی به توربین گاز مورد تحلیل، بهینه سازی و نتیجه گیری قرار می گیرند.
از آنجاییکه هیچ کار و تلاشی بدون نقص نمی باشد، از شما عزیزان تقاضا می شود که انتقادات و پیشنهادات خود را که برای اینجانب بسیار ارزشمند و سازنده می باشد از طریق آدرس پست الکترونیک peymannavaei@yahoo.com در میان بگذارید.
فهرست مطالب
عنوان……………………………………………………………………………..صفحه
مقدمه 1
فصل اول: کلیات
اهداف تحقیق 5
پیشینه تحقیق 5
روش کار تحقیق 12
فصل دوم: مبانی ترمودینامیک
تولید نیرو بررسی سیکل های گاز و بخار 15
قانون دوم ترمودینامیک و سیکل کارنو 15
سیکل رانکین 18
نیروگاه های سیکل ترکیبی 20
بررسی بیشتر نیروگاه های سیکل ترکیبی 23
سیکل های ترکیبی بدون مشعل 23
فصل سوم: روش های تحلیل سیستم های حرارتی
مقدمه 27
پینچ و اگزرژی 27
اگزرژی 29
تعاریف و محاسبات 29
ترکیب پینچ و اگزرژی 32
نمودارها و تعاریف 32
سیکل ترکیبی و چگونگی افزایش راندمان سیکل 37
روش های بهینه سازی و افزایش راندمان یک نیروگاه سیکل ترکیبی 38
فصل چهارم: نیروگاه سیکل ترکیبی منتظرقائم
مکانیزم کار توربین گاز نیروگاه منتظرقائم 47
اسامی کار واحد بخار 49
دیاگرام شبیه سازی شده در نرم افزار مطلب 51
فصل پنجم: نتیجه گیری
نتیجه گیری 57
بهینه سازی ترمواکونومیک 57
کمپرسور 62
منابع و مآخذ
فهرست جداول، نمودارها و اشکال
عنوان اشکال…………………………………………………………………………صفحه
شکل 2-1 سیکل کارنو روی نمودار T-S 16
شکل 2-2 سیکل رانکین روی نمودار T-S 18
شکل 2-3 سیکل رانکین روی نمودار T-S 19
شکل 2-4 دیاگرام جریان در یک نیروگاه سیکل ترکیبی 20
شکل 2-5 شمای حرارتی نیروگاه های سیکل ترکیبی بدون مشغل 21
شکل 2-6 شمای حرارتی عمومی نیروگاه های سیکل ترکیبی با مشعل 22
شکل 2-7 سیکل ترکیبی بدون مشعل 24
شکل 3-1 توزیع اگزرژی در فرآیند با دمای پایین 34
شکل 3-2 منحنی CPER یک نیروگاه بخار 36
شکل 3-3 دیاگرام آب و بخار نیروگاه بخار 36
شکل 3-4 توزیع اگزرژی در نیروگاه بخار 37
شکل 3-5 نمودار جریان در یک نیروگاه سیکل ترکیبی 37
شکل 3-6 CPER بهبود یافته با بالا بردن دمای خروجی از HRSG 38
شکل 3-7 CPER بهبود یافته برای بالا بردن دمای هوای خروجی از پیش گرم کن هوا 39
شکل 3-8 نمودار سیکل بهبود یافته با بکارگیری توربین دو مرحله ای 40
شکل 3-9 CPERبرای سیکل بهبود یافته برای بکارگیری توربین دو مرحله ای 40
شکل 3-10 شبیه سازی نیروگاه بدون پیش گرم کن هوا 41
شکل 3-11 CPER سیکل پایه و سیکل جدید جهت مقایسه تاثیر حذف پیش گرمکن 42
شکل 3-12 نمودار شبیه سازی شده سیکل با استفاده از خنک کن میانی کمپرسو 43
شکل 3-13 مقایسه نمودار CPER سیکل پایه و سیکل با خنک کن میانی 44
شکل 4-1 شمای یک سیکل ترکیبی با یک توربین گاز و یک توربین بخار 47
شکل 4-2 شمای کلی توربین گاز 48
شکل 4-3 مشخصات برج خنک کن نیروگاه 53
شکل 4-4 شکل شماتیکی از یک HRSG و قسمت مختلف آن 54
شکل 4-5 شبیه سازی HRSG 
نیروگاه در نرم افزار مطلب 54
شکل 4-6 دیاگرام شبیه سازی سیکل بخار نیروگاه سیکل ترکیبی 55
شکل 4-7 دیاگرام شبیه سازی یک واحد از نیروگاه سیکل ترکیبی منتظرقائم 55
شکل 5-1 منحنی CPER یک نیروگاه بخار 58
شکل 5-2 نمای کلی از نیروگاه سیکل ترکیبی منتظر قائم 61
عنوان جداول…………………………………………………………………………صفحه
جدول 4-1 مشخصات فنی قسمت های مختلف سیکل گازی نیروگاه منتظرقائم 49
جدول 4-2 تاریخ راه اندازی واحدهای بخار نیروگاه 49
جدول 4-3 اطلاعات واحد بخار 50
جدول 4-4 اطلاعات بویلر واحد بخار 50
جدول 5-1 متغیرهای ترمودینامیکی جدیدومقادیرآنهادردوحالت 69
جدول 5-2 مقادیرفعلی متغیرهای ترمواکونومیکی 70
جدول 5-3 مقادیرمتغیرهای ترمواکونومیکی درحالت بهینه 70
جدول 5-4 ارزش اگزرژی نقاط مختلف درحالت اولیه و بهینه(دلاربرکیلوژول) 70
مقدمه
در سال 1385 از مجموع قدرت نامی نیروگاه های کشور (4/46 هزار مگابایت) بیشترین سهم با حدود 5/23 هزار مگاوات (4/50 درصد) مربوط به نیروگاه های گازی و چرخه ترکیبی که حدود 65 درصد آن نیز نیروگاه های گازی با راندمان پایین تشکیل می دهند، می باشد. بر این اساس علی رغم افزایش قدرت عملی نیروگاهها از 2/37 درصد در سال 1382 به 9/43 در سال 1385، راندمان کاهش یافته است. در این راستا رشد مصرف سوخت در دوره مذکور با رشد متوسط سالیانه 7/8 درصد از 233 به 320 میلیون بشکه معدل نفت خام و در نتیجه و در نتیجه تلفات تبدیل نیروگاههای حرارتی از 152 به 200 میلیون بشکه معادل نفت خام افزایش یافته است. در حالی که رشد تولید برق در همین دوره 95/7 درصد را نشان میدهد که نشانگر مصرف زیاد سوخت برای تولید برق یا به عبارت دیگر عدم بهینه بودن عملکرد نیروگاههای حرارتی میباشد. بدین ترتیب از آمارهای فوق به راحتی میتوان فهمید که در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی در نیروگاههای کشور اقدامی صورت نگرفته است. حال آنکه در سالهای اخیر بحران انرژی ناشی از کاهش منابع انرژیهای فسیلی و افزایش قیمت آن، یکی از مسائل مهم و روز دنیا گردیده است که باعث افزایش هزینههای انرژی و در نتیجه افزایش قیمت تمام شده محصولات صنایع مختلف شده است. همچنین آلودگی محیط زیست، قانون های گذاشته شده و جریمه های سنگین جهت کاهش تولید گازهای گلخانه ای لزوم کاهش مصرف انرژی را واضح تر نشان می دهد. به همین دلیل سیاست گذاران و صاحبان صنایع در د نیا به فکر چاره جویی افتادند که حاصل آن ابداع طرح های گوناگون برای روبرو شدن با این موضوع در طی سال های اخیر می باشد. یک روش مورد صرفه جویی بهینه سازی در مصرف انرژی است که برای دست یافتن به این هدف راهکارهای گوناگونی ارائه شده است. گام اول برای کاهش مصرف انرژی در سیستم های مختلف شناسایی و تحلیل مناسب سیستم های حرارتی و بررسی عملکرد تجهیزات می باشد. در این راستا روش های اگزرژی، پینچ، پینچ اگزرژی و. ترمواکونومیک روش های متداول برای تحلیل اجزاء سیستم های حرارتی می باشد که به کمک هر یک از آنها می توان عملکرد تجهیزات را بررسی نمود. حال آنکه از این روش ها به طور منفرد تا کنون استفاده شده است. بحث کاربردی که در زمینه باز یافت انرژی مطرح گردید، انتگراسیون فرایند (انرژی) بود. انتگراسیون فرآیند در مفهوم گسترده خود جایی معنا پیدا می کرد که در یک دستگاه بیش از یک هدف فرآیندی تامی شود و منظور، بهینه سازی مصرف انرژی در کل واحد مورد مطالعه می باشد. از ابزارهای مفیدی که در انتگراسیون انرژی ابداع گردیده است تکنولوژی پینچ می باشد. این تکنولوژی با فراهم آوردن این امکان برای مهندسان که گرما را از تمامی جریان های فرآیند جمع کرده و در مکان های مورد نیاز استفاده کند، توانسته است اعمال انتگراسیون فرآیند را ساده تر نمایند. اهداف تکنولوژی پینج رسیدن به حداکثر انرژی باز یافت شده در سیستم حرارتی فرآیند و به حداقل رساندن مقدار انرژی گرمایشی و سرمایشی مصرفی مورد نیاز فرآیند از منابع خارجی (یوتیلیتی ها) و به تبع آن کاهش هزینه انرژِی مصرفی می باشد. محدودیت اصلی تکنولوژی پینچ این است که تنها به تحلیل حرارتی سیستم ها پرداخته و قادر به بررسی توان با کار محوری سیستم ها نمی باشد. بنابراین در سیستم های مانند سیکل های خنک کاری و کراجنیک که علاوه بر انرژی حرارتی با توان یا کار محوری نیز سرو کار دارند می بایست تکنولوژی پینچ را توسعه داد. از آنجا که آنالیز اگزرژی روش موثری برای بررسی توان و کار محوری می باشد می توان با ترکیب مناسب آنالیز اگزرژی و تکنولوژی پینچ به راه حل عملی و مفیدی جهت برری همزمان انرژی حرارتی و کار محوری سیستمها دست یافت. این تکنیک آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی یا به اختصار CPEA نامیده می شود. یکی از روش های مفهومی که به وسیله محققان و دانشمندان برای تحلیل و بهینه سازی سیستمهای انرژی به کار می رود به نام تمواکونومیک شناخته میشود.
ترمواکونومیک شاخه ای از ترمو دینامیک کاربردی است که با روش های بهینه سازی و تحلیل فرآیند بر مبانی قانون دوم و مفهوم اگزرژی سر و کار دارد. تحلیل تمواکونومیک به تنهایی شامل تکنیک های بهینه سازی نمی گردد بلکه این روش تابع هدف را تعیین می نماید و سپس بهینه سازی واقعی عملکرد فرآیند (دستیابی به خروجی مشخص شده با مناسب ترین ترکیب پارامترهای تولید) به وسیله روش های مفهومی تکرار شونده، ریاضیاتی و با تکنیکهای هوش مصنوعی انجام میشود.
با توجه به آنچه در بالا اشاره شد تحلیل و بهینه سازی نیروگاه سیکل ترکیبی مورد توجه بسیار است بنابراین در این پایان نامه ابتدا با اشاره به روند تکامل نیروگاهها، به تشریح کامل روشهای تحلیل سیستمهای حرارتی گفته شده در بالا پرداخته و سپس نیروگاه سیکل ترکیبی منتظرقائم به عنوان نیروگاه مورد مطالعه با مطلب که یک نرم افزار تخصصی در زمینه طراحی، شبیه سازی و بهینه سازی است به طور کامل شبیه سازی میگردد که نتایج شبیه سازی برای تک تک اجزای نیروگاه در جداول مشخص مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه با روش بهینه سازی تمواکونومیک و معرفی تابع هدف و با استفاده از کد نوشته شده در محیط نرم افزار مطلب اجزای مورد نظر نیروگاه، مورد تحلیل قرار گرفته است و در پایان با اعمال روشهای بهبود عملکرد نیروگاه نتایج به دست آمده مورد بحث و بررسی قرار میگیرد.
فصل اول
کلیات
اهداف تحقیق
انتخاب بهینه پارامترهای عملیات سیکل ترکیبی منتظور همان متغیرهای تصمیم گیری است که در بهینه کردن تابع هدف مورد تحلیل و ارزیابی قرار میگیرد.
مقایسه نتایج بدست آمده از روش ترمواکونومیک یا تحلیل به کمک نرم افزار مطلب.
ایجاد تغییرات در طراحی سیکل و پارامترهای ترمودینامیکی آن که می تواند سبب افزایش راندمان سیکل شود.
به کمک روش ترمو اکونومیک، می توان تمام اجزاء مورد نظر سیکل را مورد تحلیل و ارزیابی قرار داد. علاوه بر این محاسبه قیمت تمام شده برای هر جریان ارائه میگردد که میتوان از آن در محاسبات اقتصادی مختلفی استفاده نمود.
پیشینه تحقیق
لیم هاف و دُل[1] از آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی برای تحلیل سیستمهای خنک کاری دما پایین استفاده کردند، آنها با استفاده از این روش، کار محوری مورد نیاز را 83/3 مگاوات کاهش دادند.
زِنگ و دُل[2] آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی را در مورد سیکل ترکیبی توربین بخار و توربین گازی سیکل بسته اعمال کردند و به آرایش بازده سیکل در حدود 82/0 درصد دست پیدا کردند.
فاورات و استاین[3] تکنولوژی را با استفاده از فاکتورهای اگزرژی توسعه دادند و از آن در تحلیل سیستمهای تولید همزمان و پمپ های حرارتی استفاده نمودند.
فنگ و زو[4] آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی را در مورد یک سیکل ترکیبی توربین بخار و توربین گازی اعمال کردند. در این سیکل دمای هوای ورودی به توربین گاز در کوره افزایش می یابد و محصولات احتراق از توربین گاز عبور نمیکنند. افزایش بازده سیکل ترکیبی مورد مطالعه در حدود 74/1 درصد محاسبه گردیده است.
مّنینن و زو[5] بررسیهای اقتصادی را همراه با آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی در مورد یک سیکل ترکیبی تولید توان اعمال کردند. نتیجه بهینه سازی آنها افزایش بازده سیکل مورد مطالعه از 02/45 درصد تا 85/49 درصد با در نظر گرفتن ملاحظات اقتصادی بود.
سورین و پَریس[6] از آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی جهت مطالعه و شناسایی پتانسیلهای بهینه سازی 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 می تواند تغییرات مطلوب را با کمترین تغییر فرآیند، کم ترین اصلاح تجهیزات و با حجم محاسبات کمتر به دست دهد.
آنانتارامن[7] همکاران را با استفاده از ترکیب آنالیز اگزرژِ و پینچ یک واحد متانول را بررسی و فرصتهای بهینه سازی آن را شناسایی کردند.
تساتسارونیس و مُروسکا[8] روش جدید برای آنالیز اگزرژی سیستمهای سرما ساز جذبی ارائه دادند.
گاندرسن[9] و همکاران تحلیل توسعه یافته پینچ ـ اگزرژی با در نظر گرفتن اگزرژی فشاری برای طراحی بهینه سیستمهای تبرید پیشنهاد دادند.
ترمواکونومیک یک تکنیک نسبتا جدید است که برای اولین بار در اروپا در دهه 1960 معرفی گردید و ولف گانگ فراستچر[10] از آلمان، جان اسزارگت[11] از لهستان و والری[12] از اتحاد جماهیر شوروی سابق مقالههایی در زمینه “ارزش اقتصادی مفهوم اگزرژی” منتشر کردند و سپس در ایالات متحده اوانس[13]، یحیی السعید[14]، روبرت ماون تریباس[15] مجموعهای از مقالات در زمینه روش ریاضیاتی بهینه سازی هزینه بر مبنای اگزرژی (که آن را availability می خواندند) منتشر نمودند.
عبارت ترمواکونومیک برای اولین بار در یادداشتهای درسی Tribus در دانشگاه MPP در سال 1961 و همچنین در پایاننامه دکترای اوانس بکار برده شد. مفهوم این عبارت در حوزه آکادمیک به صورت کاملا عمقی توسعه یافت ولی مهندسین فرآیند، مدیران صنایع و برنامه ریزان انرژی را تحت تاثیر قرار نداد تا اینکه حدود 20 سال بعد به واسطه تلاشهای یحیی السعید، میکائیل[16]، تیچارد گاجیولی[17]، تادس کوتاس[18] در اوایل دهه 1980 و آنتونی والرو[19] و جورج تساتسارونیس[20] در اواخر دهه 1980 این مفهوم به صورت گستردهای در حوزههای کاربردی و صنایع مورد توجه قرار گرفت.
در مجموعهای از مقالات که در طی سالهای 1986 تا 1989 به چاپ رسید، والرو[21] یک تئوری تخصیص هزینه کلی و کاملا فرمول بندی شده برای محاسبه هزینه اگزرژنیک یک محصول با توجه به اگزرژی به فرآیند و ساختار فرآیند تولید ارائه نمود. در دهه 1990 ترمواکونومیک برای شرایط خارج از طراحی و مسائل وابسته به زمان نیز گسترش یافت که عمدتا حاصل تلاش کریستوس فرانگابُلُس[22] و میکائیل وُن[23] بود. در مورد ترمو دینامیک یک مباحثه کیفی بسیار جالب نیز وجود دارد که به وسیله تحقیقات آنتونیو والرو[24]، گُران وال[25]، جان شارگت[26] و انریکو سیبا[27] ارائه شده است.
مقالات در برگیرنده عنوان ترمو اکونومیک در دو بخش آنالیز ترمواکونومیکی سیستمها و بهینه سازی ترمواکونومیکی سیستمهای انرژی بیان می شوند. ایده نخستین استفاده از روشهای ترمواکونومیک از آنجا سرچشمه میگیرد که چگونه بالانسی برای هزینههای زیر ساختارهای یک سیستم انرژی بزرگ همانند پالایشگاه نیروگاه و یا سیستمهای تولید همزمان تعیین کنیم. بدین معنی که اگر زیرساختارها را در تبادل اقتصادی با هم ببینیم (که در واقع از اینجا ناشی می شود که این زیرساختارها با هم تبادل انرژی و یا جرم دارند) هزینههای خرید و فروش این جریانها چگونه باید باشد. این بحثی جدای از بهینهسازی زیر ساختارها و یا ساختار کلی است.