نیروگاه سیکل ترکیبی چیست

نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه چرخه ترکیبی نیروگاهی است که شامل تعدادی توربین گاز و توربین بخار می‌شود. در این نوع نیروگاه، با استفاده از بویلر بازیاب، از حرارت موجود در گازهای خروجی از توربین‌های گاز، برای تولید بخار آب مورد نیاز در توربین‌های بخار استفاده می‌شود. اگر توربین گاز به صورت سیکل ترکیبی نباشد، گازهای خروجی آن، که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آن هدر می‌رود. در حالی که در نیروگاه سیکل ترکیبی، از این انرژی استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند. بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش می‌یابد.

پیشنهاد ویژه

به شما پیشنهاد می کنیم حتما از گزارش کار نیروگاه سیکل ترکیبی دماوند (بزرگترین نیروگاه خاورمیانه) دیدن نمایید.

گزارش کار نیروگاه سیکل ترکیبی دماوند

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند:

  • تاریخچه نیروگاه سیکل ترکیبی
  • انواع نیروگاه سیکل ترکیبی
  • نگاهی دقیق‌تر به سیکل ترکیبی
  • طراحی نیروگاه سیکل ترکیبی
  • سؤالات متداول
  • سخن پایانی

قبل از ورود به بررسی اجازه دهید کار را با دیدن یک کلیپ کوتاه در مورد معرفی نیروگاه سیکل ترکیبی شروع نماییم، بدین ترتیب شما را به دیدن این کلیپ کوتاه که توسط تیم PowerEn به فارسی ترجمه و زیرنویس شده است دعوت می‌نماییم.

دانلود فیلم نیروگاه سیکل ترکیبی چیست – Full HD | با حجم ۲۲ مگابايت

به صورت تئوریک، انرژی قابل بازیابی از اگزوز توربین‌های گازی حدود نصف انرژی تولید شده توسط خود توربین گاز است. بنابراین، توان توربین بخار حدود نصف توربین گاز خواهد بود. در برخی از طراحی‌ها، دو توربین گاز، انرژی مورد نیاز برای یک توربین بخار را ایجاد می‌کنند و در نتیجه، توان تولیدی توربین‌های بخار در حدود توربین‌های گاز می‌شود.

نیروگاه های سیکل ترکیبی (Combined cycle power plant) راه حل بسیار کارآمد، انعطاف پذیر، قابل اعتماد، مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست برای تولید برق است.

نیروگاه سیکل ترکیبی در واقع ترکیبی از توربین بخار و توربین گازی می باشد به نحوی که ژنراتور توربین گازی برق را تولید می کند، درعین حال انرژی حرارتی تلف شده از توربین گاز ( توسط محصولات احتراق) برای تولید بخار مورد نیاز توربین بخار مورد استفاده قرار می گیرد و به این طریق برق اضافی تولید می شود. با ترکیب کردن این دو سیکل بهره بری از نیروگاه افزایش پیدا می کند. بازده الکتریکی از یک چرخه ساده کارخانه نیروگاه برق بدون استفاده از اتلاف گرما به طور معمول راندمانی بین ۲۵ تا ۴۰ درصد دارد، در حالی که همان نیروگاه با سیکل ترکیبی راندمان الکتریکی حدود ۶۰ درصد را دارد. همانطور که گفته شد این نیروگاه ها از ترکیب توربین های بخار و گاز ساخته می شوند و بسته به نوع توربین ها، دیگ های بازیافت گرما، و دستگاه های بازیابی انواع متعددی دارند.

با به کار گیری توربین های گازی در چرخه های ترکیبی می توان پایین بودن بازده آن را بر طرف کرد و در نتیجه آن را برای تامین بار پایه به کار گرفت، در عین حال از مزایای دیگر آن نیز مانند راه اندازی سریع و انعطاف پذیری آن در محدوده ی گسترده ای از بار بهره مند شد.

تاریخچه نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی

برای اولین بار ایده سیکل ترکیبی برای بهبود بازده سیکل ساده برایتون از طریق استفاده از حرارت گاز های خروجی توربین گازی در سال ۱۹۴۰ (۱۳۱۹ ه.ش) پیشنهاد شد.

این امر به‌وسیله بازیافت گرما مورد آزمایش قرار گرفت. بازیافت گرما توانست انرژی که از خروجی توربین گازی هدر می‌رفت را از ۷۰ به ۶۰ درصد انرژی داده شده برساند. مبادله گر گرما امکان افزایش توان خروجی را ندارد و فقط راندمان را افزایش می‌دهد. ازآنجایی‌که مبادله گر گرما افت فشار زیادی را به سیکل وارد می‌کند، استفاده از آن باعث کاهش نسبت فشار توربین و در نتیجه کاهش توان خالص خروجی می‌شود. باتوجه‌به توان بیشینه چرخه‌های ساده، از آنها در جاهایی بهره می‌گیرند که راندمان خروجی از اهمیت کمتری برخوردار باشد. درحالی‌که چرخه‌های بازیابی را در مواردی مورداستفاده قرار می‌دهند که راندمان بالا نیاز است. در نتیجه توان خروجی سیکل بازیاب در حدود ۱۱ تا ۱۴ درصد پایین‌تر از سیکل ساده است که در یک ارزیابی کلی به این نتیجه می‌رسیم که بازده نیروگاه توربین گازی همراه با بازیاب روش پرهزینه‌ای است. ازاین‌رو باید به دنبال روشی بود که از طریق آن بتوان به هر دو نیاز، یعنی راندمان و توان بالادست یافت. راه حلی که پیشنهاد شد در واقع بهره‌گیری از انرژی حرارتی بسیار بالای گازهای خروجی توربین گازی برای تولید بخار موردنیاز نیروگاه بخار بود. توربین گازی دارای گازهایی با دمای حدود ۱۲۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، و توربین گازی ماشینی با دمای حدود ۵۳۰ تا ۶۴۰ درجه سانتی‌گراد می‌باشد که با ترکیب هم‌زمان توربین گازی در طرف گرم و توربین بخار در طرف سرد را نیروگاه سیکل ترکیبی می‌گویند. اولین نیروگاه سیکل ترکیبی در ۱۹۵۰ (۱۳۲۹ ه.ش) ساخته شد. از آن به بعد تعداد نیروگاه‌های سیکل ترکیبی به‌خصوص در دهه ۱۹۷۰ (۱۳۴۹ ه.ش) به‌سرعت افزایش یافت.

انواع نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی از نظر نوع توربین‌ها و بازیاب‌ها و وجود مشعل به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

  1. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل
  2. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل
  3. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی و یا گرمایش آب تغذیه
  4. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چندگانه
  5. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با سیکل بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار

در نوع اول از نیروگاه‌ها یک مشعل در داخل بویلر قرار می‌دهند و بیشتر در نیروگاه‌هایی مورداستفاده قرار می‌گیرد که قرار باشد بخش بخار آن به طور دائم کار کند که در این صورت نباید وابستگی به توربین گازی داشته باشد.

در نوع دوم از این نیروگاه‌ها از گازهای داغی که به‌عنوان محصولات احتراقی از توربین گازی خارج می‌شود مورداستفاده قرار می‌گیرد. این دود خروجی دارای حجم بالا و دمایی حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد است و به داخل بویلر برای تبدیل آب به بخار ارسال می‌شود تا از انرژی بخار برای به حرکت در آوردن توربین مورداستفاده قرار بگیرد.

دقت داشته باشید که کاربرد گونه‌های مختلف سیکل‌های ترکیبی متفاوت است.

از نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل بیشتر برای تامین بار پایه و میانی مورداستفاده قرار می‌گیرد.

در نوع سوم از این نیروگاه‌ها در چرخه ترکیبی، گازهای خروجی یک چرخه ساده توربین گازی که شامل کمپرسور هوا (AC)، اتاق احتراق (CC) و توربین گازی (GT) است، وارد دیگ بازیافت گرما (HRB) می‌شود و در آنجا برای تولید بخار فوق گرم مورداستفاده قرار می‌گیرد. در چرخه‌های ترکیبی که قدرت پایینی دارند توان توربین بخار در حدود ۵۰درصد کمتر از توربین گازی است.

در نوع چهارم این نیروگاه‌ها که بخار با فشار چندگانه تولید می‌شود، دمای گازهای خروجی دیگ بازیافت گرما کاهش می‌یابد و به‌این‌ترتیب بازده نیروگاه به‌طورکلی افزایش پیدا می‌کند. ساده‌ترین نوع این چرخه، چرخه با فشار دوگانه است، هرچند که چرخه با فشار سه‌گانه نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. به‌عنوان‌مثال در یک سیکل با فشار دوگانه، دیگ بازیافت گرما دارای دو مدار برای تولید بخار است، مدار اول مدار فشار بالاست که بخار تولید شده در آن از مجرای ورودی توربین وارد آن می‌شود، و مدار دوم مدار فشار پایین است که بخار تولید شده در آن از طبقات با فشار پایین‌تر وارد توربین می‌شود. در یک چرخه ترکیبی پیشنهادی با فشار سه‌گانه، بخار دیگری با فشاری بین فشارهای ورودی به دو توربین بخار، تولید می‌شود. این بخار به اتاق احتراق توربین گازی تزریق می‌شود تا میزان گسیل اکسیدهای نیتروژن تا حد استاندارد تعیین شده، کاهش بیابد. درصورتی‌که از این روش استفاده شود مقداری آب تلف خواهد شد که به طور پیوسته باید آن را جبران کرد.

نیروگاه سیکل ترکیبی

نگاهی دقیق‌تر به سیکل ترکیبی

سیکل ترکیبی خصوصیت موتور یا نیروگاه تولیدکننده برق است که از بیش از یک سیکل ترمودینامیک در آن استفاده شده است. موتورهای حرارتی فقط می‌توانند بخشی از انرژی را که سوخت آنها تولید می‌کنند مصرف کنند (معمولاً کمتر از ۵۰ درصد) حرارت باقیمانده حاصل از احتراق سوخت عموماً هدر می‌رود. ترکیب تعداد ۲ سیکل یا بیشتر مانند سیکل برایتون (Brayton) و سیکل رانکین (Rankine) باعث راندمان بیشتر خواهد شد.

در ادامه بخوانید  کتاب تولید و نیروگاه - مرتضی آیین

در نیروگاه سیکل ترکیبی (CCPP) یا توربین گازی سیکل ترکیبی (CCGT)، ژنراتور توربین گازی برق تولید می‌کند و حرارت که معمولاً هدر می‌رود برای تولید بخار آب و در نتیجه تولید برق اضافی از طریق توربین بخار استفاده می‌شود. مرحله آخر راندمان تولید برق را افزایش می‌دهد. اغلب نیروگاه‌های گازی جدید در آمریکای شمالی و اروپا از این نوع هستند. در نیروگاه حرارتی، حرارت با درجه بالا به‌عنوان ورودی نیروگاه معمولاً در اثر احتراق سوخت به برق تبدیل می‌شود، اختلاف درجه حرارت بین ورودی و خروجی بایستی تاحدامکان زیاد باشد. این شرایط در اثر ترکیب سیکل‌های ترمودینامیک بخار و گاز به وجود می‌آید.

بازیافت گرما انرژی هدررفته از دودکش را از ۷۰ به ۶۰ درصد کاهش می‌دهد. استفاده از مبادله گر گرما منحصراً موجب افزایش بازده می‌شود و توان خروجی را افزایش نمی‌دهد. در حقیقت، به دلیل افت فشار بیشتری که مبادله گر گرما به چرخه تحمیل می‌کند، استفاده از مبادله گر موجب کاهش نسبت فشار توربین و در نتیجه کاهش توان خالص خروجی به مقدار چند درصد می‌شود. صرف‌نظر از این کاهش اندک در توان خروجی، استفاده از مبادله گر گرما به دلیل سطح تبادل گرمای زیاد آن و لوله‌های بزرگ هوا و گاز در آن سبب گران‌تر شدن نیروگاه می‌شود. اثر دیگری که به‌کارگیری مبادله گر گرما می‌گذارد این است که نسبت فشار بهینه‌ای که منجر به بیشینه شدن بازده می‌شود به مقادیر کوچک‌تر میل می‌کند و این امر، توان را کاهش می‌دهد.

چرخه‌های ساده در نزدیکی توان بیشینه کار می‌کنند زیرا در مواردی مورداستفاده قرار می‌گیرند که بازده در آنها از اولویت عمده برخوردار نیست. در مقابل، استفاده از چرخه‌های بازیابی تنها هنگامی منطقی است که در نزدیکی بازده بیشینه عمل کنند. ازاین‌رو توان خروجی چرخه بازیابی نسبت به توان چرخه ساده به مقدار بیشتری در حدود ۱۰ تا ۱۴ درصد کمتر است.

همان‌طور که گفته شده بالابردن بازده نیروگاه توربین گازی به‌وسیله بازیابی روش پرهزینه‌ای است؛ بنابراین باید به دنبال روشی بود که با به‌کارگیری آن بتوان هر دو مقدار بازده و توان را افزایش داد. راه حلی که برای این منظور پیدا شده است، استفاده از انرژی بسیار زیاد گازهای خروجی توربین برای تولید بخار جهت استفاده در یک نیروگاه بخار است. این یک روش طبیعی است چرا که توربین گاز یک ماشین با دمای نسبتاً بالا (بالا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و توربین بخار یک ماشین با دمای نسبتاً پایین (تا سقف ۵۴۰ درجه سانتی‌گراد) است. این کارکرد توأم توربین گازی در طرف گرم و توربین بخار در طرف سرد را نیروگاه چرخه ترکیبی می‌نامند.

چرخه‌های ترکیبی علاوه برداشتن بازده و توان بالا، از مزایای دیگری نیز مانند انعطاف‌پذیری، راه‌انداز سریع، مناسب بودن برای تأمین بار پایه و عملکرد دوره‌ای و بازده بالا در محدود گسترده‌ای از تغییرات بار برخوردار است. در نیروگاه‌های ترکیبی امکان استفاده از زغال‌سنگ، سوخت‌های سنتزی و انواع دیگر سوخت‌ها وجود دارد

عیب بارز چرخه ترکیبی، پیچیدگی آن است، زیرا اساساً در چرخه ترکیبی از دو نوع تکنولوژی متفاوت استفاده می‌شود.

تخمین زده می‌شود که تا انتهای دهه ۱۹۷۰ (۱۳۴۹ ه.ش) در حدود ۱۰۰ واحد نیروگاه ترکیبی با ظرفیت 150,000MW در سراسر جهان ساخته شده است.

چرخه‌های ترکیبی به صورت‌های متعددی پیشنهاد شده‌اند که مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:

  1. دیگ بازیافت گرما با احتراق اضافی یا بدون آن
  2. دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی و یا گرمایش آب تغذیه
  3. دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چندگانه
  4. چرخه بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار

طراحی نیروگاه سیکل ترکیبی

در نیروگاه‌های حرارتی آب به‌عنوان واسطه فعال عمل می‌کند. بخار آب با فشار بالا به قطعات محکم و بزرگ نیاز دارد. همچنین بخار آب با فشار بالا به آلیاژهای گران‌قیمت مانند نیکل یا کبالت احتیاج دارد. این آلیاژها درجه حرارت بخار آب را تا ۶۵۵ درجه سانتی‌گراد محدود می‌کنند درحالی‌که درجه حرارت پائین دستگاه بخار در نقطه‌جوش تنظیم می‌شود. با وجود این شرایط، سیستم بخار بین ۳۵ تا ۴۲ درصد راندمان بیشتری خواهد داشت.

یک سیکل توربین گازی باز دارای کمپرسور، سیستم احتراق و توربین است. در توربین‌های گازی مقدار فلزی که باید حرارت زیاد و فشار بالا را تحمل کند قابل‌توجه نیست و می‌توان از مواد ارزان‌قیمت‌تر استفاده کرد. در این نوع، سیکل حرارت ورودی به توربین (حرارت احتراق) نسبتاً زیاد است (۹۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد). حرارت خروجی گاز دودکش نیز زیاد است (۴۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد)؛ بنابراین این حرارت برای تأمین گرمای سیکل دوم که از بخار آب به‌عنوان سیال فعال (سیکل رنکاین) استفاده می‌کند به‌اندازه کافی بالا می‌باشد.

در ادامه بخوانید  نیروگاه بادی چیست؟

در نیروگاه سیکل ترکیبی، حرارت گاز خروجی توربین برای تولید بخار آب با عبور از طریق ژنراتور بخار بازیافت حرارت (HRSG) با حرارت بخار آب بین ۴۲۰ تا ۵۸۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود. کندانسور سیکل رنکاین معمولاً به‌وسیله آب دریاچه، رودخانه، دریا یا برج‌های خنک‌کننده خنک می‌شود. این درجه حرارت می‌تواند به‌اندازه ۱۵ درجه سانتی‌گراد باشد.

راندمان نیروگاه‌های دارای توربین گازی سیکل ترکیبی

با ترکیب سیکل‌های گازی و بخار به درجه حرارت‌های زیاد ورودی و درجه حرارت کم خروجی می‌توان دست‌یافت. به دلیل اینکه این سیکل‌ها توسط یک منبع سوخت تغذیه می‌شوند راندمان آنها افزایش می‌یابد؛ بنابراین یک نیروگاه سیکل ترکیبی دارای یک سیکل ترمودینامیک است که بین درجه حرارت احتراق بالای توربین گازی و درجه حرارت تلف شده از کندانسورهای سیکل بخار عمل می‌کند. درصورتی‌که نیروگاه سیکل ترکیبی فقط برق تولید کند، راندمان آن تا ۶۰ درصد خواهد رسید و درصورتی‌که تولید برق همراه با مصرف حرارت باشد، راندمان آن تا ۸۵ درصد افزایش خواهد یافت.

احتراق تکمیلی و خنک‌کردن تیغه‌های توربین

به‌منظور افزایش مقدار بخار آب یا درجه حرارت بخار آب تولید شده ژنراتور بخار بازیافت، حرارت را با احتراق تکمیلی بعد از توربین گازی می‌توان طراحی کرد. بدون احتراق تکمیلی راندمان سیکل ترکیبی بالاتر است. ولی احتراق تکمیلی به نیروگاه امکان پاسخ به نوسانات بار الکتریکی را خواهد داد. غالباً در طراحی توربین‌های گازی بخشی از جریان هوای فشرده از کنار مشعل می‌گذرد که برای خنک‌کردن تیغه‌های توربین استفاده می‌شود.

سوخت نیروگاه‌های سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی معمولاً از گاز طبیعی استفاده می‌کنند، اگرچه از سوخت‌های دیگری مانند گاز مصنوعی نیز در این نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. سوخت‌های مکمل که در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی مصرف می‌شوند عبارت‌اند از گاز طبیعی، زغال‌سنگ و غیره. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی خورشیدی هم‌اکنون در الجزیره و مراکش در دست ساخت می‌باشد.

شکل زیر شمای عمومی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی را نشان می‌دهد:

شمای کلی یک نیروگاه سیکل ترکیبی
شمای کلی یک نیروگاه سیکل ترکیبی

انواع نیروگاه سیکل ترکیبی بر اساس عملکرد

بر اساس نحوه استفاده از گاز خروجی، نیروگاه‌های سیکل ترکیبی به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند.

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل

در این نوع، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی (دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد است) دارد به بویلری هدایت می‌شود و به‌جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری، جهت تولید حرارت به کار می‌رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش درمی‌آورد. این امر باعث بالارفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می‌گردد، ضمن آنکه هزینه‌های سرمایه‌گذاری به‌ازای هر کیلووات تا حد قابل‌ملاحظه‌ای کاهش پیدا می‌کند. این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده می‌شود و کارایی آن درصورتی‌که فقط برای تولید برق به کار رود تا ۵۰ درصد هم امکان افزایش را دارد.

در مناطق سردسیر با به‌کارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به‌جای کندانسور و برج خنک‌کن در تامین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده می‌شود که در این صورت راندمان تا ۸۰ درصد هم افزایش می‌یابد.

در شکل زیر شمای حرارتی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل آورده شده است:

شمای حرارتی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل
شمای حرارتی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با سوخت اضافی (مشعل)

در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل، کارکرد بخش بخار وابستگی کامل به کارکرد توربین گاز دارد. در مواردی که نیاز به کارکرد دائمی بخش بخار وجود دارد با تعبیه مشعل در بویلر، به‌گونه‌ای که در صورت توقف بخش گاز کارکرد قسمت بخار با اشکال مواجه نگردد، عملکرد مستقل این دو بخش تامین می‌شود و بدین ترتیب، این نوع نیروگاه‌های سیکل ترکیبی شکل‌گرفته‌اند.

این نوع سیکل ترکیبی عموماً به‌منظور بالابردن قدرت و جلوگیری از نوسانات قدرت توربین بخار با تغییر بار توربین گاز به کار گرفته می‌شود. امکان کارکرد واحد بخار در نقطه کار مناسب‌تر با تعبیه مشعل ساده، به‌کارگیری سوخت مناسب و استفاده از گاز داغ خروجی توربین گاز به‌عنوان هوای دم عملی است. قدرت واحد گاز و واحد بخار در حداکثر بار سیستم مساوی است. راندمان این نوع سیکل ترکیبی از واحد بخاری ساده بیشتر و از سیکل ترکیبی بدون مشعل کمتر می‌باشد. این نوع واحدها غالباً در مواردی که علاوه بر تامین انرژی الکتریکی، تامین آب مصرفی و یا بخار موردنیاز واحدهای صنعتی نیز مدنظر باشد، به کار می‌روند.

در ادامه بخوانید  کتاب سیستم های الکتریکی نیروگاه ها

شکل زیر شمای حرارتی عمومی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل را نمایش می‌دهد:

شمای حرارتی عمومی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل
شمای حرارتی عمومی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی جهت تامین هوای دم کوره بویلر

این نوع سیکل ترکیبی مشابهت زیادی با توربین بخار معمولی دارد با این تفاوت که در نیروگاه بخاری ساده از سیستم پیش گرم‌کن و فن تامین کننده هوای دم که خود مصرف‌کننده است استفاده می‌گردد این مدل از سیکل ترکیبی، سیستم گرمایش و فن دمنده هوای احتراق کوره را توربین گاز برعهده گرفته است. بدین ترتیب راندمان واحد بخاری ساده با جانشین کردن سیستم تامین هوای دم با توربین گاز، به طور نسبی بهبود می‌یابد.

معمولاً این نوع سیکل ترکیبی در نیروگاه‌های بخاری بزرگ که سوخت آن زغال‌سنگ و یا مازوت می‌باشد، به کار می‌رود. قدرت تولیدی توربین گاز در این نوع سیکل حداکثر ۲۰ درصد قدرت تولید کل نیروگاه است.

بررسی بیشتر نیروگاه سیکل ترکیبی

کاربرد گونه‌های مختلف سیکل‌های ترکیبی متفاوت می‌باشد ولی ازآنجایی‌که سیکل‌های ترکیبی بدون مشعل در ارتباط با تولید بار پایه و میانی از اولویت بیشتری برخوردار است (هزینه سرمایه‌گذاری کمتر، مدت‌زمان نصب و راه‌اندازی کمتر، راندمان بالاتر و قابلیت انعطاف بیشتر)، به همین دلیل صرفاً به تشریح این نوع چرخه‌ها می‌پردازیم.

سیکل‌های ترکیبی بدون مشعل

هدف اصلی در این نوع سیکل‌های ترکیبی، استفاده مجدد از حرارت تلف شده اگزوز توربین گاز به‌منظور بالابردن بهره‌وری سوخت می‌باشد. جهت حصول به هدف فوق و به حداقل رساندن هزینه‌ها، سه رویه اجرایی در ابتدا مدنظر قرار گرفت و بر اساس آن سازندگان مختلف و تولیدکنندگان انرژی الکتریکی نسبت به نصب هر پنج گونه سیکل اقدام نمودند که در ادامه معرفی و تشریح می‌شوند:

  • چند توربین گاز، چند بویلر و یک توربین بخار
  • یک توربین گاز، یک بویلر و یک توربین بخار

یک توربین گاز، یک بویلر و یک توربین بخار

آرایش این‌گونه سیکل‌های ترکیبی بر پایه تقلیل هزینه سرمایه‌گذاری اولیه می‌باشد و حاصل تجارب اولیه در زمینه کاربرد چند توربین گاز با یک ژنراتور می‌باشد.

در این روش محور توربین گاز و محور توربین بخار و محور ژنراتور مشترک بوده و به‌صورت مجموعه واحد عمل می‌کند.

طرز کار کلی سیستم به این صورت است که گاز حاصل از احتراق توربین گاز سبب به چرخش در آوردن توربین گاز می‌شود. گاز داغ خروجی از توربین گاز، ضمن عبور از بویلر و تولید بخار وارد اتمسفر می‌گردد. بخار تولیدی در بویلر، در توربین بخار منبسط شده و قسمتی دیگر از نیروی مکانیکی لازم جهت تولید انرژی الکتریکی در ژنراتور را تامین می‌کند.

طرح کلی این سیستم در شمای زیر منعکس می‌باشد:

نمای کلی یک توربین گاز، یک بویلر و یک توربین بخار
نمای کلی یک توربین گاز، یک بویلر و یک توربین بخار

در این روش به سبب اینکه غالباً ضریب قابلیت بهره‌برداری توربین گاز از بویلر و توربین بخار کمتر می‌باشد، اگزوز کمکی برای توربین گاز بکار نمی‌رود و قابلیت بهره‌برداری کل مجموعه معادل توربین گاز خواهد بود و انجام بازدیدها و تعمیرات بویلر و توربین بخار منطبق با برنامه تعمیرات توربین گاز می‌باشد. به سبب عدم کاربرد اگزوز کمکی و نیز استفاده از ژنراتور مشترک، هزینه سرمایه‌گذاری پایین است. ضمناً در مواردی که تامین آب گرم مصرفی و یا گرمایش شهری موردنظر باشد معمولاً ژنراتور مستقل برای واحد بخار در نظر گرفته می‌شود.

به‌طورکلی محاسن و معایب این‌گونه سیستم‌ها به‌صورت زیر است:

مزایا

  1. هزینه سرمایه‌گذاری کمتر
  2. سادگی زیاد و نگه‌داری ساده‌تر
  3. هزینه تعمیرات پایین
  4. تلفات کمتر
  5. زمان نصب سریع‌تر

معایب

  1. عدم امکان بهره‌برداری از توربین گاز در صورت وجود عیب بر روی تجهیزات بخار (عدم قابلیت انعطاف)
  2. وجود تلفات زیاد انرژی در نیم بار

بدین ترتیب معمولاً این‌گونه آرایش در سیکل ترکیبی به کار می‌رود که هدف از احداث آن تولید و تامین بار پایه باشد.

دو یا چند توربین گاز، دو یا چند بویلر و یک توربین بخار

به‌جز حالات استثنا، متداول‌ترین گونه در این نحوه آرایش، دو توربین گاز با بویلر های مربوطه و یک توربین بخار می‌باشند.

نحوه آرایش این نوع واحدها به شکل زیر است:

نمای کلی دو یا چند توربین گاز، دو یا چند بویلر و یک توربین بخار
نمای کلی دو یا چند توربین گاز، دو یا چند بویلر و یک توربین بخار

در این روش معمولاً ۱/۳ از انرژی الکتریکی را توربین بخار و ۲/۳ آن را توربین گاز تولید می‌نماید.

گاز داغ خروجی از هر توربین گاز مستقیماً وارد بویلر مخصوص به خود می‌گردد. بخار خروجی از بویلر نیز وارد هدر (Header) مشترک شده و توربین بخار را تغذیه می‌نماید.

ازآنجایی‌که قابلیت بهره‌برداری بویلر و توربین بخار بیش از توربین گاز می‌باشد در این آرایش این امکان وجود دارد که در صورت توقف یک واحد گازی، واحدهای گازی دیگر بتوانند به همراه توربین بخار کار کنند.

قدرت ژنراتور واحدهای گازی و واحد بخار مشابه می‌باشد. متناسب با سلیقه بهره‌برداری می‌توان با تعبیه اگزوز کمکی در حدفاصل توربین گاز و بویلر، کارکرد مستقل توربین گاز را (در صورت توقف توربین بخار یا بویلر) فراهم نمود.

در این روش ایجاد امکان تعمیرات بر روی بویلر ضروری می‌باشد که مستلزم تعبیه دمپرهای مناسب است. (دمپر وسیله‌ای است که در محل خروج گاز داغ از توربین گاز قرار می‌گیرد و با ایستادن در وضعیت‌های مختلف، امکان انتقال گاز داغ را به اگزوز و یا بویلر فراهم می‌آورد.) البته وجود دمپر مستلزم انجام تعمیرات خاص و بازدیدهای ویژه می‌باشد که این امر به نوبه خود باعث کاهش قابلیت بهره‌برداری می‌گردد. همچنین وجود دمپر در درازمدت باعث تلفات گاز داغ می‌گردد که نهایتاً کاهش راندمان را در پی خواهد داشت.

برخی سازندگان و تولید کنندگان انرژی الکتریکی جهت ایجاد امکان بهره‌برداری غیر هم‌زمان توربین گاز و بخار، به‌جای اگزوز کمکی، کندانسور کمکی را توصیه می‌نماید. حسن این روش این است که ضمن ایجاد امکان بهره‌گیری از توربین گاز در مواقع توقف توربین بخار و جلوگیری از تلفات گاز داغ از طریق اگزوز کمکی، راه‌اندازی سریع بویلر و توربین بخار را باعث می‌گردد. این روش بیشتر در مواردی که فروش بخار و یا آب گرم مصرف شهری و صنعتی نیز مدنظر باشد مورداستفاده قرار می‌گیرد.

در ادامه بخوانید  سیستم های دیسپاچینگ مدرن

محاسن و معایب سیستم دو یا چند توربین گاز، دو یا چند بویلر و یک توربین بخار در قیاس با واحد بخاری ساده به‌صورت زیر است:

مزایا

  1. هزینه سرمایه‌گذاری کمتر
  2. امکان اجرای مرحله‌ای طرح
  3. زمان نصب کوتاه‌تر
  4. قابلیت انعطاف بیشتر و امکان بهره‌برداری جزءبه‌جزء
  5. راندمان بیشتر در حالت نیم بار

معایب

  1. نیاز به سوخت مرغوب‌تر
  2. عوامل کنترل بیشتر

این‌گونه آرایش در مواردی که هدف تامین بار پایه و میانی است به کار می‌رود.

چند توربین گاز، یک بویلر و یک توربین بخار

علت اصلی مطالعه بر روی این‌چنین آرایشی کاهش شدید هزینه سرمایه‌گذاری می‌باشد در ابتدای امر به سبب عدم تقارن توربین گاز و یک بویلر و عدم امکان توزیع یکنواخت گاز داغ به داخل بویلر، خوردگی و فرسودگی‌های ایجاد شده ناشی از آن باعث شد مطالعه بر روی این نوع آرایش‌ها مردود شناخته شود. بااین‌حال در صورت موفقیت در بهره‌گیری از این نوع آرایش، در واقع ضریب آمادگی سیستم وابستگی کامل به بویلر پیدا می‌کرد.

در عمل به علت اینکه امکان کارکرد هم‌زمان توربین‌های گازی، بویلر و توربین بخار کم است و نیز گاز داغ را نمی‌توان در حالات مختلف به طور یکنواخت در بویلر توزیع نمود، این روش تولیدی با اقبال مواجه نگردید.

یک توربین گاز، یک بویلر و چند توربین بخار

قدمت زیاد واحدهای بخاری و امکان بازسازی مجدد آنها و شرایط کار این‌گونه واحدها باعث شد که غالب تولیدکنندگان انرژی الکتریسیته به فکر بازسازی این‌گونه واحدها با استفاده از واحدهای گازی بیافتند. در این روش ضمن ایجاد امکان به‌کارگیری مجدد از سرمایه‌گذاری انجام شده، می‌توان نسبت به افزایش راندمان واحدهای قدیمی‌تر نیز اقدام کرد.

بازسازی و نوسازی نیروگاه‌های بخار جهت تبدیل به سیکل ترکیبی تنها برای واحدهای گازسوز و یا با سوخت مایع امکان‌پذیر است.

این روش بدان جهت قوت گرفت که غالباً قسمت حساس واحدهای بخاری یعنی بویلر آنها، معمولاً پس از مدتی کارکرد نیاز به بازسازی کامل دارد در صورتی که توربین و سایر متعلقات آن با انجام تعمیرات جزئی قابل‌استفاده مجدد می‌باشند. بدین ترتیب با تلفیق تکنولوژی قدیمی (توربین بخار) که دارای شرایط کار قابل انطباق با شرایط تکنولوژی جدید توربین گاز می‌باشد، شرایط بهره‌برداری مناسبی از توربین گاز جدید و توربین بخار قدیمی فراهم می‌آید.

به‌عنوان‌مثال در صورتی که هدف بازسازی سه واحد بخار ۲۰ مگاواتی باشد، می‌توان به‌جای نوسازی سه بویلر، با نصب یک واحد توربین گاز ۱۲۰ مگاواتی و یک بویلر بدون مشعل، ضمن افزایش قدرت مجموعه به ۱۸۰ مگاوات، با اندکی سرمایه‌گذاری بیشتر راندمان مجموعه را از ۳۰ درصد که در صورت کارکرد مستقل هرکدام حاصل می‌شود، به بیش از ۴۰ درصد افزایش داد که البته این افزایش ۱۰ درصدی در راندمان، هزینه‌های سوخت را به میزان ۱/۳ کاهش خواهد داد.

مدل مربوط به این طرح در شکل زیر آورده شده است:

نمای کلی یک توربین گاز، یک بویلر و چند توربین بخار
نمای کلی یک توربین گاز، یک بویلر و چند توربین بخار

سؤالات متداول

سیکل ترکیبی به چه معناست؟

سیکل ترکیبی به معنای ترکیب‌شدن دو متد متفاوت می‌باشد، در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی در ابتدا توسط واحد احتراق گازی، برق تولید شده و در ادامه حرارت خروجی از اگزوز این واحد سبب تبخیر آب و به حرکت درآوردن توربین بخار خواهد شد، چون این دو سیکل باهم ترکیب شده‌اند آن را سیکل ترکیبی می‌نامند.

مزیت استفاده از نیروگاه سیکل ترکیبی چیست؟

در این روش به دلیل جلوگیری از هدر رفت انرژی خروجی از اگزوز واحد گازی شاهد افزایش راندمان نسبت به سایر روش‌های تولید برق توسط سوخت‌های فسیلی می‌باشیم، مزیت دیگر نیز قدرت انعطاف‌پذیری بالای این نیروگاه در توسعه و کنترل مگاوات تولیدی می‌باشد.

تفاوت میان نیروگاه سیکل ترکیبی و واحدهای تولید برق CHP (تولید هم‌زمان) چیست؟

در CHP یا Co-generation از گرمای تلف شده در فرآیندهای متفاوتی نظیر؛ مصارف گرمایشی (خانه، کارگاه و …)، خشک‌کردن و … استفاده می‌شود اما در نیروگاه سیکل ترکیبی شاهد دو سیکل تولید برق می‌باشیم که سیکل دوم به‌واسطه گرمای تولید شده در سیکل اول الکتریسیته تولید می‌کند.

چند مدل نیروگاه سیکل ترکیبی وجود دارد؟

این نیروگاه از نظر نوع توربین‌ها، بازیاب‌ها و وجود مشعل به ۵ دسته تقسیم می‌شود که عبارت‌اند از؛ ۱. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل، ۲. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل، ۳. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی و یا گرمایش آب تغذیه، ۴. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چندگانه و ۵. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با سیکل بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار.

بزرگ‌ترین نیروگاه‌های سیکل ترکیبی در دنیا کدام‌اند؟

نیروگاه Surgutskaya GRES-2 واقع در روسیه توان تولیدی ۵۵۹۷ مگاوات، نیروگاه Futtsu واقع در ژاپن توان تولیدی ۵۰۴۰ مگاوات و نیروگاه Kawagoe واقع در ژاپن توان تولیدی ۴۸۰۲ مگاوات.

سخن پایانی

در این مقاله سعی کردیم نگاهی مختصر و البته کاربردی به نیروگاه سیکل ترکیبی داشته باشیم، قطعاً این نیروگاه موارد بسیاری برای گفتن در دل خود دارد که سعی خواهیم کرد هر بخش آن را به‌صورت مجزا و به‌مرورزمان در وب‌سایت شرح دهیم.

خوشحال خواهیم شد اگر شما نکته و یا تجربه‌ای در مورد نیروگاه سیکل ترکیبی داشته‌اید با ما در بخش نظرات در میان بگذارید.

دانلود فایل پی‌دی‌اف نیروگاه سیکل ترکیبی | با حجم ۱ مگابايت

راستی! برای دريافت مطالب جديد در کانال تلگرام PowerEn و یا پیج اینستاگرم PowreEn عضو شويد.

تلگراماینستاگرام
مهندس سیاه تیری
گرایش مورد علاقه‌ام ماشین‌های الکتریکی، بخصوص نوع دایرکت درایوها هست - عاشق کار با نرم‌افزارهای تخصصی هستم - هدفم انتقال تمام دانش تخصصی هست که در طی سال‌ها فعالیت به‌صورت پروژه محور (برای شرکت‌ها و افراد) کسب کردم و واقعاً خوشحال می شم بتونم کمکتون کنم. تموم موفقیت‌های داشته و نداشتم رو مدیون کسی هستم که بدون هیچ چشم داشتی کنارم موند. دانش‌آموخته کارشناسی ارشد برق - قدرت (ماشین‌های الکتریکی و الکترونیک قدرت) - دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی
همراه ما باشید در کانال تلگرام مهندسی برق کانال تلگرام PowerEn
اطلاع رسانی با ایمیل
اطلاع از
guest
71 دیدگاه
جدیدترین
قدیمی‌ترین محبوب‌ترین
Inline Feedbacks
View all comments
فاضل
فاضل
1 سال پیش

سلام
کتابی در مورد آشنایی با اصول طراحی نیروگاه حرارتی می خواستم

سارا همتی
سارا همتی
ویرایشگر
Reply to  فاضل
1 سال پیش

سلام اگر در وب سایت سرچ کرده اید نبوده نه متاسفانه نیست

ashkan
ashkan
2 سال پیش

با عرض سلام و خسته نباشید خدمت مهندس سیاه تیری چنانچه اطلاعاتی در مورد نیروگاه سیکل ترکیبی چابهار دارید به ایمیلم ارسال کنید

awawa
awawa
2 سال پیش

منبع نوشته کجاست ؟

حمید
حمید
2 سال پیش

سلام وقت بخیر
در نیروگاه بخار می دانیم با کم و زیاد کردن درچه بخار، توان تولیدی کم و زیاد می شود. دور ژنراتور هم ثابت می باشد. بر روی چه پارامتر ژنراتور تاثیر می گذارد که توان کم و زیاد می شود؟ می خواهم درک عملی پیدا کنم.

پورجم pourjam92@gmail.com
پورجم pourjam92@gmail.com
2 سال پیش

سلام مهندس ابتدا باید تشکر کنم از مطالب مفیدتون
بنده دارای یک نیروگاه گازی 8 مگاواتی هستم که گرمای زیادی از اگزوزها داره به سمت بیرون به هدر میره بنظرتون میشه با کار گذاشتن محفظه بازیاب گرما و توربین بخار جهت تولید برق یک واحد سیکل ترکیبی ایجاد کرد?

گرایش رشته تحصیلی
قدرت
_mr.sali_
_mr.sali_
3 سال پیش

سلام و خسته نباشین.از اصول کاری فید واتر پمپ و اجزای داخلیش اطلاعاتی دارین؟

گرایش رشته تحصیلی
سایر
مهدی فیروزمند
مهدی فیروزمند
Reply to  _mr.sali_
2 سال پیش

سلام مهندس

مهدی فیروزمند
مهدی فیروزمند
Reply to  _mr.sali_
2 سال پیش

مهندس میشه یه فیلم درمورد نیروگاه سیکل ترکیبی برای پایه ی دهم بفرستین رشته برق صنعتی