انواع نیروگاه سیکل ترکیبی بر اساس نحوه استفاده از گاز خروجی، به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند.
1) نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با سوخت اضافی (مشعل)
یکی از انواع نیروگاه سیکل ترکیبی نیروگاه سیکل ترکیبی با مشعل است. 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، انواع نیروگاه 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.
شکل زیر شمای حرارتی عمومی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل را نمایش می‌دهد:
2) 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 قابل ملاحظه‌ای 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:
3) 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 انواع نیروگاه سیکل 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 چهار 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
- چند توربین گاز، یک بویلر و یک توربین بخار
- یک توربین گاز، یک بویلر و چند توربین بخار
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 بویلرهای مربوطه و یک توربین بخار می‌باشند.
نحوه آرایش این نوع واحدها به شکل زیر است:
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.
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
- هزینه سرمایه‌گذاری کمتر
- امکان اجرای مرحله‌ای طرح
- زمان نصب کوتاه‌تر
- قابلیت انعطاف بیشتر و امکان بهره‌برداری جزءبه‌جزء
- راندمان بیشتر در حالت نیم بار
معایب
- نیاز به سوخت مرغوب‌تر
- عوامل کنترل بیشتر
این‌گونه آرایش در مواردی که هدف تامین بار پایه و میانی است به کار می‌رود.
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.
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:
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
- هزینه سرمایه‌گذاری کمتر
- سادگی زیاد و نگه‌داری ساده‌تر
- هزینه تعمیرات پایین
- تلفات کمتر
- زمان نصب سریع‌تر
معایب
- عدم امکان بهره‌برداری از توربین گاز در صورت وجود عیب بر روی تجهیزات بخار (عدم قابلیت انعطاف)
- 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.
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، 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.
شکل زیر نمایش مدل مربوط به این طرح است :
به طور کلی دسته بندی انواع نیروگاه سیکل ترکیبی به صورت زیر است:
این نیروگاه از نظر نوع توربین‌ها، بازیاب‌ها و وجود مشعل به ۵ دسته تقسیم می‌شود که عبارت‌اند از:
- نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل،
- نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل،
- نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی و یا گرمایش آب تغذیه،
- نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چندگانه
- نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با سیکل بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار.
بدون دیدگاه