پایان نامه بهینه سازی ترمواکونومیک و اگزرژو اکونومیک بویلر بازیاب حرارت سیکل ترکیبی و سیستم تولید همزمان توان و آب شیرین در نیروگاه نکا با استفاده از الگوریتم ژنتیک

چکیده:

با توجه به کاهش منابع زیرزمینی آبی و سوخت های فسیلی در دنیای امروز و همچنین در ایران جلوگیری از اتلاف انرژی و معرفی روش­های نوین در تهیه­ی آب شیرین قابل شرب از آب دریاجایگاهی خاص در دنیای آینده خواهد داشت. استفاده از روش­هایی چون روش های تبخیر – تقطیری می­تواند یکی از این روش­ها باشد.

با توجه به بالا بودن راندمان حرارتی در سیکل­های ترکیبی موجب شده تا اقبال عمومی در جهان به این نوع از نیروگاه ها افزایش یابد اما هنوز سهم بزرگی از حرارت وارد شده به بویلرهای بازیاب این نیروگاه ها توسط برج های خنک کننده به محیط انتقال یافته و به عنوان انرزی تلف شده در نظر گرفته می­شود. حال اگر بتوان روشی را پیشنهاد داد تا از این حرارت در جهت تولید آب شیرین استفاده نمود می­توان راندمان این نوع نیروگاه­ها را بیش از پیش بالا برد.

از این رو در این پایان نامه با استفاده از یک توربین با فشار پشت که دارای فشار خروجی بالاتری نسبت به توربین­های بخار معمولی می­باشد در سیکل بخار نیروگاه­ نکا سعی شده است تا حرارت ورودی به یک آب شیرین کن MED-TVC را تعمین نمود. بخار وارد شده به این آب شیرین کن حرارت خود را به آب دریا می­دهد تا در فشار پایین تر از محیط تبخیر گردد و با تقطیر بخار حاصل آب شیرین DM تولید گردد. در این روش اندکی میزان تولید توان به دلیل استفاده از توربین با فشار پشت کاهش خواهد یافت اما در عوض از اتلاف حرارتی بالایی که در کندانسور نیروگاه وجود داشت جلوگیری و در جهت تولید آب شیرین استفاده می­گردد.

جهت بهینه سازی سیکل مذکور در افزایش درآمد و کاهش میزان تخریب اگزرژی، بازگشت سرمایه و هزینه­های اولیه از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است و همچنین در جهت بهینه سازی چند معیاره با در نظر گرفتن تمامی موارد فوق از روش TOPSIS در کنار الگوریتم ژنتیک بهره گرفته شده.

بر اساس تحلیل­های انجام شده در پایان نامه­ی حاضر نتایج ذیل به دست آمد:

با افزایش میزان TBT در آب شیرین­کن MED-TVC میزان تولید آب شیرین و نسبت بهره در آب شیرین کن کاهش می­یابد اما میزان هزینه­های اولیه­ی ساخت و نصب و بهره برداری آب شیرین­کن با کاهش روبرو می­باشد.

با افزایش میزان فشار خروجی توربین با فشار پشت علاوه بر کاهش درآمد کل بازگشت سرمایه با تاخیر روبرو خواهد بود اما میزان تولید آب شیرین در خروجی توربین افزایش خواهد یافت.

با افزایش در میزان سوخت ورودی به مشعل کانالی علاوه بر افزایش درآمد کل میزان تخریب اگزرژی کل نیز افزایش خواهد یافت. با توجه به این امر مقدار بهینه­ای برای دبی سوخت ورودی به مشعل کانالی وجود دارد که این مقدار با روش TOPSIS،        Kg/s 41/0 به دست می­آید. میزان دبی سوخت ورودی به  مشعل کانالی در نیروگاه نکا در حال حاضر kg/s 8/0 می­باشد.

افزایش فشار در خروجی بخش فشار بالا در بویلر بازیاب علاوه بر افزایش میزان تخریب اگزرژی کل موجب افزایش درآمد کل نیز خواهد شد. این مقدار نیز با روش TOPSIS، Bar 5/148 به دست آمده است درحالی که این میزان در بویلر نیروگاه نکاbar  130 می­باشد. علاوه بر آن مقدار بهینه­ی فشار بخش فشار پائین، دبی خروجی از درام بخش فشار پائین، تعداد مراحل آب شیرین­کن و همچنین مرحله­ی بهینه­ی خروجی بخار مکش شده در آب شیرین کن نیز به دست خواهد آمد.

فصل 1

کلیاتی در مورد نیروگاه­های سیکل ترکیبی، بویلرهای بازیاب و روشهای مختلف شیرین سازی آب

مقدمه

بازدهی یک نیروگاه گازی را می­توان با انتخاب پارامترهایی نظیر نسبت تراکم (که در کمپرسور، محفظه­ی احتراق و توربین تعریف می­شود) نسبت سوخت به هوا و ... بهینه نمود. علاوه بر آن با بهره­گیری از انرژی موجود در گازهای داغ خروجی از توربین می­توان راندمان کل یک نیروگاه گازی را با تبدیل آن به نیروگاه سیکل ترکیبی بهبود بخشید. برای این امر از بویلرهای بازیاب حرارت استفاده می­شود.

سیکل ترکیبی از دو یا چند سیکل قدرت تشکیل می­شود که هدف اصلی از ترکیب سیکل­های متفاوت به دست آوردن سیکلی است که دارای راندمان بالاتری نسبت به راندمان سیکل­های تشکیل دهنده آن باشد.

به منظور تولید برق به صورت صنعتی و تجاری سیکل­های ترکیبی گوناگونی توسط محققان مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. از حدود سال 1970 به بعد نیروگاه­های سیکل ترکیبی که مرکب از سیکل گازی و سیکل بخاری می­باشد که ذکر خواهد شد مورد توجه بسیاری بوده و توسعه­ی قابل ملاحظه­ای یافته­ است.

شیرین­سازی آب دریا یک منبع عظیم تولید آب صنعتی، کشاورزی و آشامیدنی در بسیاری از مناطق جهان است. فرآیند شیرین­سازی آب شور به طرق مختلفی صورت می­پذیرد که همگی آن­ها به انرژی احتیاج دارند. این انرژی می­تواند از طریق گرمایی، مکانیکی و یا الکتریکی تامین شود.

فرآیند تبخیر چند مرحله­ای (MED) که از انرژی گرمایی استفاده می­کند، اولین فرآیندی است که برای تولید مقادیر قابل توجهی آب خالص از آب دریا مورد استفاده قرار گرفته است. اساس این روش، چگالش بخارات حاصل از تبخیر در خلاء آب دریاست. برای ایجاد خلاء از یک کمپرسور استفاده می­شود که این کمپرسور می­تواند به صورت حرارتی (ترموکمپرسور) و یا مکانیکی عمل نماید. مزیت عمده­ی ترموکمپرسور به کمپرسور مکانیکی، هزینه­های پایین ساخت، نگهداری، تعمیرات و مصرف انرژی پایین است.

2 کلیات نیروگاه سیکل ترکیبی و بویلرهای بازیاب حرارت

1-2-1  انواع نیروگاه­های سیکل ترکیبی

یک نیروگاه سیکل ترکیبی از ترکیب دو یا چند سیکل قدرت متفاوت که با سیال عامل­های مختلف و در دماهای متفاوت کار می­کنند، تشکیل یافته است، به­طوری­که هر یک از آنها قادر است در صورت فراهم شدن شرایط مورد نیازش، به­طور مستقل به فعالیت خود ادامه دهد. در یک سیکل ترکیبی، گرمای دفع شده از سیکل با دمای بالاتر، به سیکل با دمای پایین­تر، جهت تولید قدرت اضافی و درنتیجه دست­یابی به راندمانی بالاتر نسبت به راندمان تک تک سیکل­ها مورد استفاده قرار می­گیرد.

با پیشرفت تکنولوژی مفاهیم جدیدتری از نیروگاه­های سیکل ترکیبی در سال­های اخیر مطرح شده است که از جمله­ی آنها می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

موتور دیزل - سیکل بخار

موتور دیزل - سیکل با یک سیال عامل آلی

توربین گاز -  سیکل بخار

توربین گاز - سیکل با یک سیال عامل آلی

فلزات مایع - سیکل بخار

MHD2  -  سیکل بخار

توربین گاز -  سیکل قدرت دو سیاله (هوا - بخار)

اگرچه امروزه تلاش­های زیادی جهت توسعه­ی نیروگاه­های سیکل ترکیبی شامل مواد آلی در حال انجام است،  ولی نیروگا­ه­های سیکل ترکیبی توربین گاز/ توربین بخار، هنوز به عنوان رایج­ترین سیکل ترکیبی شناخته می­شوند. این نیروگاه­ها بر اساس نیاز در انواع مختلفی ساخته و مورد استفاده قرار می­گیرند به اختصار به بررسی آن­ها پرداخته می­شود.

1-2-2 چرخه­های بالایی و پایینی در سیکل ترکیبی

اصل بهبود بخشیدن راندمان از طریق افزایش دمای متوسط گرمای ورودی (Tin) و پایین آوردن گرمای متوسط دفع شده (Tout)، کماکان در نیروگاه­های سیکل ترکیبی به کار گرفته می­شود. در نیروگاه­های سیکل ترکیبی به سیکل با دمای بالاتر، سیکل بالایی و به سیکل با دمای پایین­تر، سیکل پایینی گفته می­شود. سیکل بالایی می­تواند در قالب سیکل­های اتو، برایتون و یا رانکین عمل کند در حالی­که تمامی سیکل­های پایینی بر اساس سیکل رانکین عمل می­کنند. در سیکل­های بالا قسمتی از انرژی سوخت داده شده به سیکل، تبدیل به الکتریسیته و مابقی تبدیل به گرما در فرآهم آوردن قدرت در سیکل پایینی مورد استفاده قرار می­گیرد.

1-2-3 بررسی بیشتر نیروگاه­های سیکل ترکیبی توربین­گاز / توربین بخار

نیروگاه سیکل ترکیبی توربین­گاز/توربین بخار، به نیروگاهی گفته می­شود که در آن، هم در توربین گاز و هم در توربین بخار قدرت تولید شود. ایده­ی سیکل ترکیبی، به منظور بهبود چرخه­ی ساده­ی برایتون، از طریق بهره­گیری از انرژی اضافی گازهای خروجی توربین گاز مطرح شد.

Abstract

Due to reduction in underground water sources and fossil fuels in the world and also in preventing the dissipation of energy and the introduction of modern methods of supplying fresh water, potable water, special Dryajaygahy in the world of the future. Using methods such as evaporation method - distillation can be one of these.

Due to the high thermal efficiency of the combined cycle has led to general acceptance in the world of plants to increase But a large share of imported heat recovery boilers cooling towers of the power station by the transmission medium and is regarded as the energy dissipated. If we propose an approach that This heat can be used to produce fresh water for the plant's efficiency can be further increased.

Hence, in this thesis, using a back -pressure turbine outlet pressure is higher than a conventional steam turbine .Neka power plant steam cycle has been trying to input heat to MED-TVC desalination to be Tmyn . Steam enters the desalination of sea water gives up its heat to the lower pressure of the steam distillation of fresh water evaporates and the DM is produced . In this method, a small amount of power due to turbine back pressure will decrease But instead of high heat dissipation in the power plant condenser, there was a block in the production of fresh water are used.

In order to optimize the cycle of increasing revenues and reducing exergy destruction, return on investment and the initial cost of the genetic algorithm is used and Also for multi-criteria optimization considering all the above TOPSIS method with the genetic algorithm was used.

Based on the analysis conducted in this thesis, the following results were obtained:

1 - With increasing concentrations of TBT in MED-TVC desalination water production rate and the ratio of reduced interest in desalination But the initial cost of installation and operation of desalination is faced with the loss.

2- with increasing pressure turbine exhaust back pressure also reduces total revenue payback will experience delays But it will increase the amount of fresh water in the turbine exhaust.

3 - by increasing the amount of fuel to the burner inlet channel in addition to increasing the total revenue will increase in the rate of exergy destruction. Given the optimal amount of fuel flow to the burner inlet duct is the method of TOPSIS, Kg / s 41/0 is obtained. Duct burner fuel flow rate input to the Neka power plant currently kg / s 8/0 is.

4 - increase the pressure in the high pressure part of the boiler output recovery in addition to increasing the total exergy destruction rate will also increase total revenues. This is also the method of TOPSIS, Bar 5/148 is obtained, while the rate in bar 130 is Neka power plant boiler. In addition, the optimum amount of pressure to low pressure, low pressure outflow of the drama department, the number of steps Shyrynkn water vapor as well as the optimal output suction also be obtained by desalting.