مقایسه عملکرد چیلر تراکمی و جذبی در خنک کاری هوای ورودی به توربین گاز
نویسندگان :
بهنام فیض اله بیگی، رامین مهدی پور
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تفرش، تفرش
Email: Mch95.behnam@tafreshu.ac.ir
دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تفرش، تفرش
Email: Mehdipor@tafreshu.ac.ir
چکیده
برای افزایش راندمان توربین گاز در فصول گرم سال لازم است که هوای ورودی خنک شود، خنک سازی هوای ورودی به توربین گاز با چند روش مختلف امکان پذیر است، که در این تحقیق از دو روش چیلر تراکمی و چیلر جذبی استفاده شده است . این دو روش با مقایسه عملکرد چیلر تراکمی و جذبی ،می توان فهمید که کدام یک از این روشها بازدهی بهتری دارند.
با توجه به داده های بدست آمده معلوم شد که چیلر تراکمی در دمای ۴۵ درجه توان خالص خروجی را نسبت به حالت بدون خنک سازی۶/۷ درصد بهبود بخشید و چیلر جذبی در دمای ۴۵ درجه توان خالص خروجی را نسبت به حالت بدون خنک کاری ۱۷٫۳ درصد افزایش داد. همچنین در مقایسه ای که بین عملکرد چیلر جذبی و چیلر تراکمی در دماهای مختلف ورودی صورت گرفت، چیلر جذبی به مراتب عملکرد بهتری نسبت به چیلر تراکمی داشت. در چیلر جذبی چون مصرف برق کمپرسور وجود ندارد لذا توان خالص تولید شده توسط توربین بیشتر است.
ا_ مقدمه
تامین شرایط آسایش و راحتی انسانها در فصل گرما نیاز به انرژی الکتریکی دارد در طول دوره گرما که معمولا از اواسط اردیبهشت شروع شده و تا پایان شهریور ادامه می یابد بین ساعات ۱۰ صبح تا ۶ بعد از ظهر توان الکتریکی زیادی توسط شهر و یا نیروگاه تقاضا می شود، به نحوی که شدت این تقاضا بعضی اوقات منجر به قطعی برق می شود. برای جلوگیری از قطع برق می توان نیروگاه های جدید احداث کرد و یا راندمان توربین گاز را افزایش داد تا با تولید برق بیشتر کمبود حاصل را کاهش داد .
توربین گاز چون مستقیما از هوای محیط اطراف تغذیه می کند، لذا افزایش یا کاهش دما به طور مستقیم روی عملکرد و بازده توربین تاثیر می گذارد، با افزایش دمای هوای محیط و دمای هوای ورودی به توربین گاز، دبی جرمی هوای ورودی به کمپرسور کاهش می یابد، لذا مقدار هوای کمتری وارد کمپرسور می شود، برای جبران این کمبود کمیسور باید کار بیشتری انجام دهد، که برای انجام کار بیشتر باید از توربین نیرو بگیرد و این یعنی پایین آمدن راندمان كل سیستم، لذا با استفاده از روش های خنک کاری هوای ورودی، می توان دیی چرمی هوای ورودی را افزایش داد و راندمان سیستم را بالا برد.
روش های مختلفی برای افزایش راندمان توربین گاز موجود است از جمله: ۱ سیستم فاگ (مه پاش) ۲_سیستم ذخیره ساز سرما ۳ روش مدیا کولر تبخیری ۴ سیستم سویرل فلش ۵ استفاده از چیلر تراکمی ۶ استفاده از چیلر جذبی چیلر بخار(جت بخار) در سال ۲۰۱۸ آقای قاسمی و همکاران سیستم چیلر الکتریکی را توسط نرم افزار ترمو قلو شبیه سازی کردند و مقدار افزایش راندمان و درصد کاهش مصرف سوخت را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج نشان داد که چیلر الکتریکی ۰٫۵۶ درصد راندمان را افزایش داد و مصرف سوخت را ۱۰۵۹ درصد کاهش داد [۱] در سال ۲۰۱۳ آقای ابراهیمی و همکارانش یک توربینv94.2 ساخت شرکت زیمنس را در شرایط نیروگاه سنندج و نیروگاه خرمشهر مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که در شرایط دمایی و محیطی مشابه با سایت نیروگاه سنندج، چیلر جذبی و چیلر تراکمی، توان خروجی را ۴ مگاوات افزایش داده بودند و همچنین در شرایط مشابه با سایت نیروگاه خرمشهر نیز توان خروجی توربین توسط دو روش ذکر شده ۴ مگاوات رشد را نشان داد[2] .
در سال ۲۰۱۰ آقای فرزانه گورد به همراه همکارش دو روش کولر تبخیری و چیلر تراکمی را مورد مقایسه قرار داد نتایج نشان داد که چیلر تراکمی ۵ درصد راندمان را افزایش داده است. بدین صورت که در روش چیلر تراکمی مقدار ۲۵۰۱ مگاوات ساعت بر سال و در روش کولر تخیری ۱۱۳۲ مگاوات ساعت بر سال افزایش تولید محاسبه شد ۳۱) .
در سال ۲۰۰۶ آقای بوئاسا و همکاران برای خنک کاری هوای ورودی به توربین در یک نیروگاه سیکل ترکیبی از روش چیلر جذبی استفاده کردند و نتایج نشان داد که توان خروجی توربین ۱۰٫۶ درصد افزایش داشت و توان کل نیروگاه ۶۰۲۴ درصد افزایش داشت [۴]
در سال ۲۰۰۵ آقای گاگاراس و همکاران سه روش خنک سازی، کولر تېخپری، چیلر جذبی و کولر تبخیری با پیش تراکم را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که روش چیلر جذبی از بقیه روش ها راندمان بیشتری داشت. همچنین هزینه اجرایی روش کولر تبخیری از بقیه روش ها کمتر بوداد) .
در سال ۲۰۰۳ آقای عامری و همکاران، افزایش راندمان یک توربین گاز توسط چیلر جذبی را بررسی کردند. نتایج نشان داد که با استفاده از روش جذبی، توان خروجی ۱۱٫۳ درصد افزایش یافت که منجر به تولید اضافی ۱۴۰۰۰ مگاوات در ساعت برق در طول یک سال شده است، دوره بازگشت سرمایه طرح ۴٫۲ سال محاسبه شد[۶] .
در سال ۲۰۱۲ آقای سهیل پوپلی و همکاران در تحقیقی به این نتیجه رسیدند که برای شرایط محیطی مشابه با حوزه خلیج فارس ( دما ۵۵ درجه سانتی گراد و رطوبت ۸۰ درصد)، می توان با استفاده از گرمای اگزوز توربین، تا ۱۲٫۳ مگاوات توان خروجی را افزایش داد[۷] در این مطالعه راندمان توربین گاز در دماهای مختلف و سناریوهای مختلف ( بدون خنک کاری، خنک کاری با چیلر جذبی و خنک کاری با چیلر تراکمی) بررسی خواهد شد و با مقایسه راندمان توربین گاز تحت سه حالت مختلف ذکر شده، بهترین روش با بهترین عملکرد انتخاب خواهد شد .
۲- روش های خنک سازی
۲_1 روش چیلر تراکمی
چیلرهای تراکمی (شکل ۱) یک سیکل ساده تبرید با چهار بخش اصلی کمپرسور، کندانسور، اواپراتور و شیر انبساط می باشد در این نوع خنک کننده کمپرسور انرژی خود را از الکتروموتور دریافت کرده و گاز را از اواپراتور مکیده و دما و فشار آن را به حدی افزایش عمل تراکم می دهد که بتواند با عامل تقطیر معمولی تقطیر شود، سپس این گاز توسط لوله گاز داغ یا تخلیه از خروجی کمپرسور به کندانسور هدایت می شود.
گاز فشرده شده در کندانسور به کمک آب یا هوای محیط خنک شده و به مایع تبدیل می شود این مایع فشار بالا وارد مخزن ذخیره مایع شده و سپس جریان ثابتی از مایع مورد نیاز وارد لوله مایع شده و با گذشتن از شیر انبساط، فشار آن طوری کاهش یافته که مایع بتواند در دمای پایین مورد نظر با گرفتن گرما از محیط اطراف در اواپراتور تبخیر شده و به گاز فشار پایین تبدیل شود، سپس گاز فشار پایین توسط لوله مکش مجددا وارد کمپرسور شده و سیکل تکرار می گردد.
۲_۲ چیلر جذبی
چیلر جذبی (شکل ۲) طی یک سیکل دائمی و برخلاف چیلر تراکمی که نیروی محرکه آن انرژی الکتریسیته است با استفاده از منابع گرمایی از قبیل بخار داغ با شعله مستقیم، آب یا سیال مبرد را سرد کرده و برای عملیات خنک کاری در اختیار کویل قرار می دهد. در یک تقسیم بندی عمومی می توان چیلرهای جذبی را در دو دسته چیلرهای جذبی آب و آمونیاک و چیلرهای جذبی لیتیوم بروماید و آب طبقه بندی نمود.
در واقع در هر سیکل تبرید جذبی، یک سیال نقش جاذب و یک سیال مبرد وجود دارد در سیستم آب و آمونیاک، سیال مبرد آمونیاک و سیال جاذب آب است. در سیستم لیتیوم بروماید و آب، سیال مبرد آب و سیال جاذب، محلول لیتیوم بروماید است. نوع قدیمی تر چیلر های جذبی از نوع تک اثره بودند و راندمان نسبتا پایینی دارند ولی امروزه غالبا از نوع جدید که به چیلر های دو اثره معروف هستند استفاده می شود.
۲_۳ تفاوت های اصلی چیلرهای جذبی وتراکمی
در مقایسه ای که در عملکرد چیلر تراکمی و جذبی به عمل آمده باید گفت : در چیلر تراکمی برای گردش مبرد از کمپرسور استفاده می کنند در حالی که چیلرهای جذبی فاقد کمپرسور بوده و به جای آن از انرژی گرمایی منابع مختلف استفاده کرده و غلظت محلول جاذب را تغییر میدهند، همچنان که غلظت تغییر می کند، فشار نیز در اجزای مختلف چیلر تغییر می کند.
این اختلاف فشار باعث گردش مبرد در سیستم می گردد. • ژنراتور و جذب کننده در چیلرهای جذبی جایگزین کمپرسور در چیلرهای تراکمی شده است. • در چیلرهای جذبی از یک جاذب استفاده می شود که معمولا آب یا نمک لیتیوم بروماید است. • مبرد در چیلرهای تراکمی یکی از انواع کلروفلئوروکربن ها یا هالوکلروفلئوروکربن ها است در حالی که در چیلرهای جذبی مبرد معمولا آب یا آمونیاک است.
چیلرهای تراکمی انرژی مورد نیاز خود را از انرژی الکتریکی تأمین می کنند در حالی که انرژی ورودی به چیلرهای جذبی از انرژی گرمایی منابع مختلف به ژنراتور تأمین می شود . این نتیجه نیز از مقایسه ی عملکرد بین دو چیلر تراکمی و جذبی بدست آمد[۹].
٣_ روابط حاکم
برای احداث یک نیروگاه با سوخت فسیلی، لازم است پس از آنکه توان مورد نیاز، نوع سیکل و سیستم خنک کاری تعیین گردید، سیکل نیروگاه با در نظر گرفتن شرایط دسترسی به منابع مختلف تجهیزات و سازندگان آنها، توسط کارشناسانی آشنا به تجهیزات و سازندگان مختلف، طراحی و شبیه سازی شود.
این موارد نیازمند نرم افزاری جامع است که بتوان با استفاده از آن، طراحی و شبیه سازی سیکل نیروگاه، هزینه های اجرای طرح، مدت زمان بازگشت سرمایه و تاثیر شرایط مختلف بر عملکرد نیروگاه را بررسی نمود. نرم افزار ترمو فلو در حال حاضر به عنوان معتبر ترین نرم افزار طراحی و شبیه سازی نیروگاه در جهان مورد استفاده قرار می گیرد. این نرم افزار برای اولین بار در سال ۱۹۸۷ توسط جمعی از مهندسان نیروگاه و دانش آموختگان دانشگاه MIT تدوین گردید و در ایران نیز توسط غالب شرکت های مشاور و پیمانکار مورد استفاده قرار می گیرد[۱۰] .ضریب عملکرد که به صورت نرخ اثر برودت خالص تولید شده به وسیله یخچال به کار صرف شده که با کمپرسور انجام می شود را می توان به صورت زیر بیان کرد:
افت اگزرژی در هر جزء چرخه به صورت زیر محاسبه می شود. افت اگزرژی در اواپراتور به صورت زیر است:
آنالیز اگزرژی برای اندازه گیری عملکرد سیستم تبرید تراکمی بخار استفاده می شود. این آنالیز مفهوم اگزرژی را می رساند که همیشه کاهش ناشی از برگشت ناپذیری ترمودینامیکی است. اگزرژی ماگزیمم کار مفید که در حالت خاص محیط به دست می آید است. تعادل اگزرژی برای یک حجم کنترل تحت فرآیند حالت پایا به صورت زیر بیان می شود .
افت اگزرژی در کمپرسور به صورت زیر است:
افت اگزرژی در کندانسور به صورت زیر است :
(- ) ( ) ( )
افت اگزرژی در شیر اختناق به صورت زیر است:
افت اگزرژی در مبدل حرارتی به صورت زیر است:
( )
افت اگزرژی کلی به صورت زیر است:
اکنون افت اگزرژی کل توسط رابطه زیر محاسبه می شود:
برای سیستم تبرید، اگزرژی تولید شده ناشی از جذب گرما از محیط سرد شونده توسط اواپراتور در دمای
است:
۴_ تعریف مسئله
ابتدا یک سیکل توربین گاز از نوع V94.2 ساخت شرکت زیمنس با توان ۱۶۴٫7 مگا وات، با سوخت متان و بدون خنک کن توسط نرم افزار ترموفلو مدل شده است، سپس به این سیکل یک بار چیلر الکتریکی (شكل 3) و یک بار چیلر جذبی (شکل ۴) دو اثره اضافه شده تا راندمان توربین، دبی کمپرسور، توان خروجی توربین و توان خالص خروجی توربین در دماهای مختلف نسبت به حالت بدون خنک کاری مورد مقایسه قرار گیرد.
در نهایت می توان با مقایسه نتایج خروجی روش مناسب و بهینه را انتخاب کرد. لازم به ذکر است که در این شبیه سازی دمای هوای محیط ۱۵ تا ۴۵ درجه سانتی گراد لحاظ شده، ارتفاع سایت نیروگاه ۱۰۰۰ متر از سطح دریا در نظر گرفته شده و رطوبت نسبی محیط ۶۰٪ است.
۵_ اعتبار سنجی
مدلسازی انجام شده با مقاله آقایان سپهر صنایع و طاهاتی [۸] مورد بررسی قرار گرفته است، در این مقاله از یک توربین گاز متعلق به شرکت جنرال الکتریک به مدل GE9171E با توان ۱۲۴/۷ مگاوات به عنوان مبنای محاسبات استفاده شده است. شرایط سایت نیروگاه مورد مطالعه بدین صورت است: فشار محیط ۱۰۰۱۳ بار، دمای هوای محیط ۴۳ درجه و رطوبت تسبی محیط ۴۰ درصد و نوع سوخت مصرفی تیروگاه، گاز طبیعی با ارزش حرارتی ۵۰۰۴۷ کیلوژول بر کیلو گرم در نظر گرفته شده است [۸] حالت اول: توربین بدون خنک کن در نظر گرفته شده و در این حالت قدرت خالص خروجی توربین 3 ۱۰۰ مگاوات، دمای ورودی به کمپرسور ۴۳ درجه سانتی گراد و دمای خروجی کمپرسور 7-۳۸۵ درجه سانتی گراد محاسبه شده است.
حالت دوم: روش خنک سازی مه پاش در حالت اشباع در ورودی لحاظ شده است، و قدرت خالص خروجی ۱۱۲٫۵ مگاوات، دمای ورودی به کمپرسور ۳۰ درجه سانتی گراد و دمای خروجی کمپرسور ۳۷۳٫1 درجه سانتی گراد محاسبه شده است. حالت سوم: روش مه پاش به همراه ۱ درصد اسپری مازاد لحاظ شده است و قدرت خالص خروجی۱۲۶٫3 مگاوات، دمای ورودی به کمپرسور ۳۰ درجه سانتی گراد و دمای خروجی کمپرسور ۳۳۴٫9 درجه سانتی گراد محاسبه شده است.
حالت چهارم: روش مه پاش به همراه ۲ درصد اسپری مازاد لحاظ شده است و قدرت خروجی ۱۳۹٫33 مگاوات، دمای ورودی به کمپرسور ۳۰ درجه سانتی گراد و دمای خروجی کمپرسور ۳۰۰ درجه سانتی گراد محاسبه شده است، در نهایت داده های استخراج شده نشان داد که مدلسازی انجام شده با دقت مناسبی نیروگاه را مدل می کند. در جدول (۱) مقایسه مدلسازی با مقاله آقای صنایع [۸] آورده شده است.
۶_ مدلسازی در ترمو فلو
بعد از انجام اعتبار سنجی نرم افزاره سیکل توربین گازه به همراه خنک کن به وسیله ی چیلر تراکمی (شکل 3) و خنک کن به وسیله ی چیلر جذبی (شکل ۴) و سیکل ساده توربین گاز (بدون خنک کاری برای این شرایط مدل شد: دمای هوای محیط ۱۵ تا ۴۵ درجه سانتی گراد، ارتفاع سایت نیروگاه ۱۰۰۰ متر از سطح دریا و رطوبت نسبی محیط ۶۰، نتایج حاصل از هر مدلسازی در جدولی جداگانه در بخش بعدی ذکر شده است.
۷_ جداول
در این بخش نتایج حاصل از مدلسازی نرم افزار در شرایط مختلف خنک کاری و دمایی ذکر شده است .
۸- جمع بندی
طبق نتایج بدست آمده از جداول (۲۰۳۵۴) می توان مشاهده کرد که با افزایش دمای محیط، راندمان توربین، دبی کمپرسور ، توان خروجی توربین و توان خالص خروجی توربین، همگی کاهش یافته اند، همین امر باعث می شود تا نیاز به خنک سازی، بیشتر احساس شود.
حال باید نتایج را با هم مقایسه کرد تا مشخص شود که کدام روش خنک سازی بهترین خروجی را دارد. از میان متغیر های بررسی شده به دلیل اهمیت بیشتر توان خالص خروجی، تغییرات این پارامتر در سه حالت بدون خنک کاری، خنک کاری به وسیله چیلر تراکمی و خنک کاری به وسیله چیلر جذبی مورد بررسی قرار گرفته است . در مقایسه ی عملکرد بین دو چیلر تراکمی و جذبیطبق شکل (۵) در دمای ۱۵ درجه، توان خالص چیلر جذبی ۱٫۲ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۶٫۹ درصد بیشتر از بدون خنک کاری، در دمای ۱۸,۳۳ توان خالص چیلر جذبی ۱٫۹ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۹ درصد بیشتر از بدون خنک کاری، در دمای ۲۱٫۶۷ توان خالص چیلر جذبی ۲٫۹ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۱ درصد بیشتر از بدون خنک کاری، در دمای ۲۵ درجه توان خالص چیلر جذبی ۴٫۱ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۳ درصد بیشتر از بدون خنک کاری، در دمای ۲۸,۳۳ توان خالص چیلر جذبی ۵٫۷ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۵٫۲ درصد بیشتر از بدون خنک کاری ، در دمای ۳۱,۶۷ توان خالص چیلر جذبی ۷٫۷ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۷۰۴ درصد بیشتر از بدون خنک کاری ، در دمای ۳۵ درجه توان خالص چیلر جذبی ۸۵ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۸٫۲ درصد بیشتر از بدون خنک کاری ، در دمای ۳۸٫۳۳ توان خالص چیلر جذبی ۸۰۸ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۷٫۹ درصد بیشتر از بدون خنک کاری، در دمای ۴۱٫۶۷ توان خالص چیلر جذبی ۸٫۹ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۷٫۷ درصد بیشتر از بدون خنک کاری و در نهایت در دمای ۴۵ درجه توان خالص چیلر جذبی ۹٫۹ درصد بیشتر از چیلر تراکمی و ۱۷٫۳ درصد بیشتر از بدون خنک سازی بدست آمده است .
همان طور که نتایج نشان می دهد بیشترین اختلاف عملکرد مربوط به دمای ۳۵ درجه بود. نکته مهمی که باید به آن توجه شود، اختلاف بین توان خروجی و توان خالص خروجی هر کدام از چیلرها است، به عنوان مثال طبق شکل (۵) در دمای ۴۵ درجه سانتی گراد، اختلاف بین توان خروجی و توان خالص برای چیلر الکتریکی ۲۰۰۷ مگاوات است، و در همین دما این اختلاف برای چیلر جذبی ۷٫۸ مگاوات است.
این مقایسه نشان می دهد که در شرایط برابر، چیلر جذبی با مصرف کمتر برق، توان خروجی بیشتری دارد. علاوه بر این در چیلر جذبی چون کمپرسور وجود ندارد لذا هزینه تعمیرات و سرویس دوره ای چیلر، پایین تر از چیلر تراکمی است.
مراجع (۱) شبیه سازی اثر چيلر الکتریکی بر راندمان نیروگاه گازی با رویکرد محیط زیستی، اسماعیل قاسمی کفرودی، محمدرضا حبیبی
(2) Efficiency Improvement Methods of Gas Turbine, R. Espanan 1, S.H. Ebrahimi2, H.R.Ziacimoghadam3
(3) Farzaneh-Gord M. Deymi-Dashtebayaz M. Effect of various inlet air cooling methods on gas turbine performance. Energy. 2011 Feb 1362):1 196-2015.
(4) Boonnasa, Somkiat, Pichai Namprakai, and Terachun Muangnapoh. “Performance improvement of the combined cycle power plant by intake air cooling using an absorption chiller.” Energy 31.12 (2006): 2036-2046
(5) Kakara, E., et al. “Inlet air cooling methods for gas turbine based power plants.” Journal of engineering for gas flarhines Fil p er 12.2 (2016): 312-317.
[6] Ameri, M.O.H. A. M. M. A. D., and S. H. Hejazi.”The study of capacity enhancement of the Chabahar gas turbine installation using an absorption chiller.” Applied Thermal Engineering 24.1 (2004): 59-68.
[7Popli, Sahil, Peter Rodgers, and Valerie Eveloy. “Gas turbine efficiency enhancement using waste heat powered absorption chillers in the oil and gas industry.” Applied Thermal Engineering 50.1 (2013): 918-931.
[8] Sanaye, Sepehr, and Mojtaba Tahani. “Analysis of gas turbine operating parameters with inlet fogging and wet compression processes.” Applied thermal engineering 30.2-3 (2010): 234-244.
(10) www.thermoflow.ir
دیدگاهتان را بنویسید