قابلیت پیک‌ سایی شبکه برق با استفاه از چیلرهای جذبی و خنک کاری هوای وروی به توربین (TIAC)

مقدمه

با توجه به تغییرات شرایط آب و هوایی، سطح زندگی و رواج استفاده از تجهیزات تهویه مطبوعی در تابستان، پیک مصرف برق به تابستان‌ ها منتقل شده است. این موضوع از یک طرف و کاهش توان و بازدهی خروجی نیروگاه‌ های گازی و سیکل ترکیبی از طرف دیگر باعث شده تا در چند سال اخیر در ایران مشکل تامین توان در ساعات گرم روز ایجاد شود. به عنوان نمونه در تابستان سال 97 مصرف بالا در زمان پیک باعث تغییر ساعات کار ادارات و خاموشی‌ های اجباری با برنامه زمان‌ بندی در مناطق مختلف کلان شهرها شده است. با این وجود باز هم رکورد جدیدی در مصرف برق ایجاد شده که به نسبت‌ سال‌ های قبل بالاتر بوده است (در بیستم تیر ماه 97 ساعت 16 و 38 دقیقه با وجود تعطیلی ادارات مصرف برق در پیک به بیش از 57 هزار مگاوات رسیده است)[1].

آمار مصرف برق در 10 ساله ی منتهی به 95 نشان می‌ دهد که به طور متوسط در این سال‌ ها پیک بار مصرف سالانه حدود 5/4% افزایش داشته است. از سال 89 تا سال 95 پیک مصرف برق از شب به روز شیفت پیدا کرده و از 41 هزار مگاوات در سال 89 به 52 هزار و 693 مگاوات در سال 95 می‌ رسد که در طول تاریخ صنعت برق بی سابقه بوده است[2]. بنابراین در صورتی که اقدامی برای مشکل پیک برق در تابستان‌ ها انجام نشود باید انتظار داشت تا در سال‌ های آتی با خاموشی‌ ها و نوسانات بسیار در تامین برق مواجه شد. شاید در وهله ی اول احداث نیروگاه‌ های جدید به عنوان یک راه‌ کار به ذهن برسد اما با توجه به این‌ که در شرایط عادی هیچ مشکلی برای تامین برق وجود نداشته و حتی ظرفیت مازاد نیز وجود دارد این روش از نظر اقتصادی توجیه ندارد. بنابراین باید به دنبال راه‌ کارهایی مانند خنک کاری هوای ورودی به توربین[3] (TIAC) بود که در آن‌ ها می‌ توان با صرف هزینه ی بسیار کم‌ تر در مقایسه با ساخت نیروگاه با ظرفیت مشابه، توان خروجی را افزایش داد. به همین دلیل در این مقاله به بررسی توانایی خنک کاری هوای ورودی در توربین‌ ها برای افزایش توان خروجی در نیروگاه‌ های گازی و سیکل ترکیبی پرداخته شده است.

توربین گاز و اثر دما بر بازدهی آن

در سال 1899 چالرز گوردون کورتیس اولین توربین گاز را در آمریکا اختراع کرد. طبق تعاریف ترمودینامیکی توربین گازی نوع موتور گرمایی است که انرژی حرارتی حاصل از ترکیب سوخت و هوا را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌ کند. سوخت مصرفی توربین گاز می تواند جامد، مایع یا گاز باشد و صرفه نظر از نوع آن چون ترکیب سوخت و هوا در نهایت منجر به تولید گاز داغ پر فشار می‌ شود به آن توربین گازی می ­گویند. توربین گازها به واسطه ی مزایایی که دارند در ایران بسیار محبوب می‌ باشند. از جمله ی این مزایا می‌ توان به نصب و راه‌ اندازی سریع، هزینه ی تهیه و نصب پایین، بهره‌ برداری ساده و امکان استفاده از سوخت‌ های متفاوت اشاره نمود. از طرفی یکی از معایب اصلی این توربین‌ ها کاهش توان و راندمان آن در اثر افزایش دمای محیط می‌ باشد. به عبارتی دیگر، در حالی‌ که بیش‌ ترین تقاضا برای مصرف برق در فصول گرم سال اتفاق می‌ افتد، در همین زمان واحدهای گازی با افت شدید توان و راندمان مواجه خواهند بود. توربین شامل کمپرسور، محفظه احتراق، توربین بوده و بر مبنای سیکل برایتون کار می‌ کند. این چرخه که شماتیک آن در شکل 1 ارائه شده شامل مراحل زیر است.

1-2: تراکم آیزنتروپیک در کمپرسور

2-3: افزایش دما (جذب گرما) در فشار ثابت

3-4: انبساط آیزنتروپیک در توربین

4-1: کاهش دمای (دفع گرما) فشار ثابت

[1] برگرفته از سایت تسنیم نیوز (22 تیر 1397 ساعت 11:40) و خبر آنلاین (22 تیر 1397 ساعت 8:00)

[2]  برگرفته از سایت تابناک (11 اسفند 1395 ساعت 23:59)

[3] Turbine Inlet Air Cooling

شکل 1 شماتیک یک توربین گاز و نمودار T-S آن

شرایط استاندارد محیطی و ترمودینامیکی یکی از مهم‌ ترین عوامل موثر بر راندمان توربین های گازی می‌ باشد. سازمان جهانی استاندارد (ISO) شرایط استاندارد مشخصی را برای کارکرد توربین‌ های گازی تعریف نموده است که مهم‌ ترین آن ها عبارتند از: دمای خشک 15، دمای تر 2/7، رطوبت نسبی 60% ، فشار محیط atm 1، عدم افت فشار در قسمت‌ های ایزوبار.

اولين بار ايده ی تزريق بخار به سيكل توربين گاز توسط يك مهندس نروژی به نام الوينگ در سال 1903 مطرح شد. از سال 1976 به بعد حركت رو به رشدی در تكامل اين تكنولوژی به وسيله فعاليت‌ های محققان مختلفی انجام گردید. در گزارش سابا (سازمان بهره وری انرژی ایران) بیان شده که برای هر 1 افزایش دما، به ترتیب 2/0 درصد و 7/0 درصد کاهش در بازدهی و توان خروجی ایجاد می‌ گردد. عامری و همکاران (Ameri et al. 2002) با توجه به مشخصات واقعی توربین گاز آلستوم[1] روابط زیر را برای کاهش توان خروجی و دبی جرمی با تغییرات دما ارائه نموده‌اند.

در واقع با بالا رفتن دمای محیط، همان‌ طور که در شکل 2 نشان داده شده است فرآیند آنتروپی ثابت 1-2 به فرآیند 1h-2h تبدیل می‌ گردد. با توجه به واگرا بودن خطوط فشار ثابت در این دیاگرام، میزان کار انجام شده توسط کمپرسور نیز افزایش خواهد یافت.

[1] Alstom frame-5

شکل 2 نمودار T-S چرخه برایتون

به عنوان نمونه می‌ توان اطلاعاتی درباره ی هزینه‌ های ساخت و نگهداری نیروگاه‌ های سیکل ترکیبی و گازی را در جدول1 دید.

جدول 1 مشخصات اقتصادی نیروگاه‌ های سیکل ترکیبی و گازی

با توجه به مطالب گفته شده به نظر خنک کاری هوای ورودی به توربین به عنوان تنها راه‌ کار موثر برای جلوگیری از کاهش توان و بازدهی در نیروگاه‌ های سیکل ترکیبی و گازی باید مورد توجه قرار گیرد.

خنک کاری هوای ورودی به توربین

خنک کاری هوای ورودی به توربین را می‌ توان به روش‌ های مختلفی شامل روش‌ های تبخیری (فاگ، مدیا)، روش‌ های تبریدی (تراکمی، جذبی)، روش‌ های ذخیره‌ سازی سرما و … انجام داد. نمونه‌ های زیادی از روش‌ های یاد شده در سراسر دنیا و حتی در ایران اجرا شده است. در روش‌ های تبخیری در کنار مصرف زیاد آب، عملکرد به دمای حباب‌ تر محیط وابسته بوده و وجود قطرات در هوای ورودی به توربین باعث کاهش عمر مفید دستگاه می‌ شوند، از طرفی هم استفاده از چیلر تراکمی و ذخیره‌ سازی سرما با مصرف بسیار زیاد انرژی همراه هستند به همین دلیل در این کار به روش سرمایش تبریدی با کمک چیلرهای جذبی پرداخته می‌ شود که در سال‌ های اخیر با اقبال خوبی در سراسر دنیا رو به رو شده است. روش خنک کاری هوای ورودی به توربین با کمک چیلرهای جذبی در این حالت دو امکان وجود دارد:

  • نیروگاه‌ های گازی: دود خروجی به طور مستقیم وارد چیلرهای جذبی شود.

  • نیروگاه ترکیبی: دود ابتدا وارد بویلرهای بازیابی حرارتی (HRSG) شده و در ادامه بخار خروجی از توربین‌ های بخار وارد چیلر جذبی می‌ شود.

در هر دو شرایط به یک مبدل حرارتی در ورودی کمپرسور نیاز است تا با کمک آن و آب خنک خروجی از چیلر جذبی بتوان هوای ورودی به کمپرسور را خنک نمود. در شکل‌ های زیر تصاویری از چگونگی قرار دادن مبدل حرارتی در ورودی کمپرسور نشان داده شده است.

قرار دادن مبدل‌ حرارتی در ورودی کمپرسور

برداشتن فیلتر هوای ورودی

بعد از نصب فیلتر و اتمام کار

مبدل نصب شده در ورودی کمپرسور

از قابلیت‌ های این روش می‌ توان به بیش‌ ترین توانایی در تغییر دما، مصرف انرژی بسیار ناچیز و قابلیت اطمینان و طول عمر بالاتر اشار نمود. هزینه ی اولیه ی بالا و نگهداری دشوار‌تر از جمله معایب آن به حساب می‌ آیند. این روش در کشورهایی با آب و هوای گرم و رطوبت بالا مانند کشورهای حوزه ی خلیج فارس به وفور مورد استفاده قرار گرفته است.

در یک سیکل توربین گازی به طور معمول گازهای داغ با دمای بین 900 تا 1700 درجه سانتی‌ گراد وارد توربین گاز گشته و پس از عبور از توربین با دمای بین 400 تا 550 درجه سانتی‌ گراد از آن خارج می ­گردند.

هر چند برای استفاده روش TIAC مناسب در هر نیروگاه نیاز به انجام مطالعاتی دقیق و جامع است، اما معمولا با توجه به وجود حرارت اتلافی با دمای قابل توجه و مقدار زیاد در عمده ی نیروگاه‌ های توربین گاز شامل گازهای خروجی از توربین گاز با دمای تقریبی 540 و یا بخار کم فشار با دمای تقریبی 250 است، استفاده از چیلرهای جذبی به نظر بتواند گزینه‌ ای عملی، مطمئن و مقرون به صرفه باشد.

وضعیت نیروگاه‌ ها در ایران

همان‌ طور که در شکل 5 مشخص است نیروگاه‌ های گازی و سیکل ترکیبی در سال‌ های اخیر سهم عمده‌ ای از ظرفیت کل نیروگاهی کشور را به خود اختصاص داده‌اند. این سهم در طول بازه 11 ساله مورد بررسی همواره با افزایش همراه بوده است.

شکل 5 سهم نیروگاه‌ های مختلف در ظرفیت کلی کشور در سال‌ های مختلف (از 85 تا 95)[1]

[1] برگرفته از اطلاعات ارائه شده در سایت وزارت نیرو

علاوه بر سهم 61% از ظرفیت موجود، کماکان نیروگاه‌ های سیکل ترکیبی و گازی به عنوان یک گزینه بی رقیب برای توسعه‌ نیروگاهی در آینده مطرح هستند به طوری که از نیروگاه‌ های احداث شده در سال 97 هم سهمی حدود 70% را به خود اختصاص داده‌ اند (شکل 6). به طور کلی تا تاریخ 20/7/97 مجموع ظرفیت نامی نیروگاهی ایران برابر 79665 مگاوات بوده که بیش از 60% آن مربوط به نیروگاه‌ های گازی و سیکل ترکیبی است[1].

شکل 6 سهم نیروگاه‌ های اضافه شده در سال 97 تا تاریخ 20/7/97[1]

[1] برگرفته از اطلاعات ارائه شده در سایت وزارت نیرو

در شکل 7 عمر نیروگاه‌ های گازی و سیکل ترکیبی تا سال 95 ارائه شده است. با توجه به این شکل و ظرفیت نیروگاه‌ ها در تاریخ 20/7/97 می‌ توان دید که بیش‌ تر از 35% (بیش از 27000 مگاوات) کل ظرفیت نیروگاهی در ایران را نیروگاه‌ های سیکل ترکیبی و گازی تشکیل می‌ دهند که عمر آن‌ ها کم‌ تر از 12 سال می‌ باشد و با توجه به عمر کاری این نوع نیروگاه‌ ها (30 سال) ارزش آن را دارند که بر روی آن‌ ها سیستم TIAC را اجرا کرد.  

شکل 7 عمر نیروگاه‌ های گازی و سیکل ترکیبی تا سال 95

اگر به طور دقیق‌ تر و با توجه به دمای ماکزیمم میانگین در شهرهای مختلف ایران موضوع بررسی شود می‌ توان به نتایج بهتری رسید. به طور کلی میانگین دمای ماکزیمم ماهانه برای ایران را می‌ توان برابر 37 درجه سانتی‌ گراد در نظر گرفت.

با استفاده از معادله 1 و میانگین دمای ماکزیمم ماهانه 37 درجه سانتی‌ گراد ،کاهش ظرفیت نامی نیروگاه‌ های گازی و ترکیبی در ایران به صورت میانگین 4/16% می‌ باشد. اگر تنها برای نیروگاه‌ های با عمر کم‌ تر از 12 سال، TIAC اجرا شود توان قابل ریکاوری به صورت زیر به دست می‌ آید.

بنابراین می‌ توان به راحتی با اجرای سیستم TIAC به کمک چیلرهای جذبی توان را 4428 مگاوات در زمان پیک افزایش داد. این موضوع از این جهت اهمیت دارد که اولا نصب تجهیزات خنک کاری هوای ورودی به توربین بسیار سریع‌ تر از احداث نیروگاه جدید خواهد بود، دوما از انرژی اتلافی برای این افزایش توان استفاده شده و بازدهی نیروگاه هم افزایش می‌ یابد. هزینه ی کلی نصب تجهیزات خنک کاری هوای ورودی به توربین کم‌ تر از یک پنجم هزینه احداث نیروگاه جدید با همان ظرفیت است و از نظر اقتصادی هم دوره برگشت قابل قبولی دارد برای بررسی دقیق‌ تر می‌ توان به پروژه‌ های اجرا شده و نتایج آن‌ ها اشاره نمود.

پروژه‌ اجرا شده نمونه توسط مجموعه اکو انرژی (شیانگلیانگ)

مجموعه اکو انرژی (شیانگلیانگ[1]) پروژه‌ های زیادی در زمینه TIAC در کشورهای مختلف اجرا کرده است که از آن جمله می‌ توان به نیروگاه 51 مگاواتی شنژن جینگانگ الکتریک، نیروگاه PGU 135 در روسیه با ظرفیت تقریبی 120 مگاوات، نیروگاه ابسرومکس[2] در آلتامیرا، مکزیکو[3] با ظرفیت تقریبی 20 مگاوات، نیروگاه الجوف[4] و نیروگاه آر آر[5] در عربستان صعودی اشاره کرد.

[1] SHUANGLIANG ECO-ENERGEY SYSTEMS

[2] Absormex

[3] Altamira, Mexico

[4] Al Jouf power plant

[5] Ar Ar Power Plant

شکل 8 تصویری از چیلر جذبی نصب شده توسط مجموعه اکوانژری در نیروگاه ابسرومکس آلتامیرا

مجموعه ی اکو انرژی (SHUANGLIANG ECO-ENERGEY SYSTEMS) در نیروگاه 51 مگاواتی شنژن جینگانگ الکتریک[1] که شامل 36 مگاوات توان توربین گاز و 15 مگاوات توان توربین بخار است، سیستم TIAC را با استفاده از یک چیلر آب داغ اجرا کرده است. برای این پروژه هزینه سرمایه‌ گذاری اولیه 13,650,000یوان بوده است. مقایسه‌ ای بین مقدار مصرف و تولید برق برای ماه می در دو سال پی‌ در پی در حالت بدون و با TIAC در جدول 2 ارائه شده است. ظرفیت الکتریکی به صورت سالانه به اندازه  6,481,500 کیلووات افزایش و مصرف سوخت به اندازه 596.93 تن سوخت صرفه جویی می‌ شود که معادل هزینه 2,805,571 یوان است. درآمد خالص این پروژه به صورت سالانه برابر 7,990,771 یوان می‌ باشد و با این تفاسیر دوره برگشت پروژه حدود 24 ماه خواهد بود.

[1] Shenzhen Jingang Electric Co., Ltd.

جدول 2 مقایسه‌ ای بین مقدار مصرف و تولید برق برای نیروگاه شنژن جینگانگ الکتریک

همان‌ طور که در کارهای تحقیقاتی و عملی اجرا شده توسط محققان و کمپانی‌ های مختلف شامل کمپانی اکوانرژی دیده می‌ شود، چیلرهای جذبی توانایی بسیار خوبی در افزایش توان خروجی و حتی بازدهی و نیز کاهش ناکس خروجی نیروگاه دارند. در شرایطی که همواره در سال‌ های اخیر در ایران تامین بار در شرایط پیک یکی از مشکلات بوده است روش TIAC می‌ تواند یک راه‌ کار بسیار عالی باشد که دروه ی بازگشت سرمایه قابل قبولی را هم ارائه می‌ دهد. اگر تنها TIAC بر روی نیروگاه‌ هایی گازی و سیکل ترکیبی که عمری کم‌ تر از 12 سال دارند اجرا شود می‌ توان انتظار داشت که حدود 4400 مگاوات به توان پیک افزوده شود.با توجه به روند افزایش بار پیک که سالانه حدود 5/4% است می‌ توان انتظار داشت که با فرض عدم احداث هیچ نیروگاهی و تنها با اجرای سیستم TIAC می‌ توان افزایش بار پیک را برای حدود دو سال تامین نمود. در ضمن استفاده از TIAC بازدهی نیروگاه‌ ها را نیز افزایش داده و با توجه به شرایط، دوره بازگشتی بین 3/1 تا 6 سال ارائه می‌ دهد.

وب سایت اکوانرژی

Device rotate

لطفاً برای تجربه کاربری بهتر دستگاه خود را ۹۰ درجه بچرخانید.