آشنایی با نیروگاه های توربین گازی سیکل باز

نیروگاه های توربین گازی سیکل باز

نیروگاه های توربین گازی سیکل باز (OCGT)، ساده‌ترین روش برای تبدیل احتراق گاز به برق است. این نیروگاه‌ها تنها شامل یک توربین گازی بوده و هیچ اتلاف حرارتی را بازیابی نمی‌کنند. بنابراین، سامانه تولید توان نسبت به فناوری‌هایی که از اتلاف حرارتی برای گرمایش یا تولید برق اضافی استفاده می‌کنند، کارایی کمتری دارد. از آنجایی که نیروگاه سیکل باز کارایی کمتری دارد، به ازای هر واحد توان خروجی، سوخت بیشتری مورد نیاز است.

بدون بازیافت حرارتی، برای گرمایش اضافی نیز ممکن است بویلر‌های گازسوز مورد نیاز باشد. استفاده از نیروگاه سیکل باز بطور کلی انتشار گازهای گلخانه‌ای را افزایش می‌دهد. بهره‌وری یک نیروگاه سیکل باز بسته به قدرت و نوع توربین انتخاب‌شده، متفاوت خواهد بود، اما با قدرت توربین افزایش می‌یابد. بهره‌وری بالا به این معنی است که سوخت کمتری در مقایسه با گزینه‌های دیگر مصرف می‌شود و این گاز می‌تواند برای اهداف دیگر استفاده شود.

نیروگاه‌های توربین گازی سیکل باز در حال حاضر در بسیاری از مکان‌هایی قرار دارند که تامین گاز مقرون به صرفه است، اما بطور فزاینده‌ای با سامانه‌های کارآمدتر برای پروژه‌های جدید مانند نیروگاه‌های سیکل ترکیبی، نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت و غیره جایگزین شده‌اند.

کاربرد نیروگاه سیکل باز در صنعت نفت و گاز شامل ایستگاه‌های تقویت فشار خطوط انتقال گاز طبیعی می‌شود که موقعیت مکانی، اندازه و پیچیدگی تجهیزات را محدود می‌کند. توربین‌های گاز تا حدود ۷۰ مگاوات ممکن است موتورهای صنعتی یا مشتق‌شده از موتورهای هوایی باشند.

برای کاربرد تامین برق، از جمله در تاسیسات صنعتی بزرگ، این نیروگاه‌ها می‌توانند برای پشتیبانی در شرایط اوج مصرف بکار گرفته شوند. در این قالب، از توربین‌های گازی در محدوده ۵ تا ۴۰ مگاوات برای پشتیبانی از شبکه استفاده می‌شود. تعداد قابل‌توجهی از سامانه‌های تولید همزمان برق و حرارت مبتنی بر توربین گاز سیکل باز در کاربردهای مختلفی از جمله بازیافت نفت، مواد شیمیایی، تولید کاغذ، فرآوری مواد غذایی و تامین نیاز دانشگاه‌ها عملیاتی هستند.

انتشار دی‌اکسیدکربن از یک توربین گاز مشتق از موتور هوایی ۲۱ مگاواتی بدون بازیافت حرارتی و کارکرد با بهره‌وری حدود ۳۰ درصد، تقریبا ۵۰۰ کیلوگرم به ازای هر یک مگاوات توان خروجی است. چنین توربین‌هایی به شدت در مناطق فراساحلی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

توربین گاز یک موتور احتراق داخلی است که با حرکت چرخشی به جای رفت و برگشت کار می‌کند. توربین‌های گاز از سه بخش اصلی شامل کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده‌اند. در بخش کمپرسور، هوا تا ۴۰ برابر فشار محیط به داخل کشیده و فشرده شده و به سمت قسمت محفظه احتراق هدایت می‌شود. در آنجا، پس از افزوده‌شدن سوخت، مشتعل و می‌سوزد.

کمپرسور، محفظه احتراق و توربین توسط یک یا چند محور به هم متصل شده و مجموعا ژنراتور گاز یا توربین گاز نامیده می‌شوند. شکل‌های ۱ و ۲ به ترتیب پیکربندی و طرح ژنراتور توربین گاز معمولی را نشان می‌دهند.

سوخت

سوخت‎‌های مختلفی را می‌توان در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار داد. استفاده از گاز طبیعی برای اکثر نیروگاه‌ها ترجیح داده می‌شود، اما ممکن است از گاز مایع، گاز پالایشگاه، نفت گاز، گازوئیل، نفتا و نفت خام سبک نیز استفاده شود. توربین‌ها همچنین می‌توانند با دو سوخت به‌عنوان مثال گاز و گازوئیل کار کنند تا مسائل مربوط به تامین سوخت، راه‌اندازی و پشتیبان‌گیری مدیریت شود. توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی نیازمند سوخت خاصی هستند. توربین‌هایی با فناوری آلایندگی کم، قادر به دستیابی به انتشار ناکس بسیار کم تا مقادیر تک رقمی هستند.

استفاده از هیدروژن در ترکیب سوخت توربین گاز روندی پرشتاب یافته‌است. تعداد زیادی از توربین‌های گاز روزآمد کنونی، قابلیت استفاده از هیدروژن دست‌کم بعنوان ۲۰ درصد از ترکیب سوخت را دارند. همه تولیدکنندگان تجهیزات اصلی توربین‌های گاز در تلاش هستند تا این توربین‌ها را با قابلیت هیدروژن ۱۰۰ درصدی با سامانه‌های DLE توسعه دهند. برای این کار باید تمام جنبه‌ها شامل عرضه، ایمنی، هزینه و غیره را مدنظر قرار داد تا امکان استفاده بیشتر از سوخت هیدروژن فراهم شود. همچنین تلاش‌ها در مورد سوزاندن آمونیاک به‌عنوان یک حامل هیدروژن ادامه دارد.

تاثیر دما و فشار

توان توربین گاز و بازدهی حرارتی معمولا مطابق با شرایط سازمان بین‌المللی استاندارد ایزو شامل دمای ۱۵ درجه سانتیگراد، رطوبت نسبی ۶۰ درصد و فشار ۱۰۱.۳ کیلو پاسکال درجه‌بندی می‌شوند. توان و بازدهی حرارتی رابطه معکوسی با دمای محیطی و متناسب با فشار محیط دارند. رطوبت تاثیر جزئی بر بازدهی می‌گذارد.

برای اکثر نمونه‌های توربین گاز، با افزایش دمای محیط، توان خروجی کاهش می‌یابد. یکی از روش‌های افزایش توان خروجی (افزایش بازدهی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای)، استفاده از خنک‌کننده ورودی هوا برای کاهش دمای هوای ورودی به توربین گاز است. استفاده از این خنک‌کننده در آب و هوای گرمسیری مفیدتر از آب و هوای معتدل است.

نسبت تراکم و دمای اشتعال

فشار تخلیه کمپرسور نسبت به فشار محیط، نسبت تراکم نامیده می‌شود. نسبت تراکم پارامتر مهمی بشمار می‌رود که بر بهره‌وری تاثیر می‌گذارد. برای دمای اشتعال معین، نسبت تراکم بالاتر، بهره‌وری بهتری را به همراه خواهد داشت.

دمای اشتعال توربین متناسب با توان خروجی ویژه است. یک نسبت دمای آدیاباتیک بهینه بین کمپرسور و توربین وجود دارد که توان خروجی را به حداکثر می‌رساند.

هزینه بهره‌وری بار جزئی

توربین‌های گاز در بار کامل به حداکثر بهره‌وری می‌رسند. عملکرد در بار جزئی با کاهش بازدهی حرارتی همراه است. برای بارهای الکتریکی متغیر از نیروگاه‌های توربین گازی سیکل باز، با محدوده دمایی روزانه و فصلی بالا، مجموعه‌ای از توربین‌های کوچکتر ممکن است ترجیح داده شوند.

به این ترتیب، تقاضای توان را می‌توان با استفاده از تعداد صحیح توربین، نزدیکتر با مشخصات بار مطابقت داد که در نتیجه بازده بهتری حاصل می‌شود. برعکس، برای بارهای ثابت در آب و هوای ثابت، تعداد کمتری توربین بزرگتر ممکن است به بهره‌وری مشابهی دست یابند.

در خصوص صرفه‌جویی، بهره‌وری بار جزئی نیز هنگام اندازه‌گیری توربین‌ها باید در نظر گرفته شود. از کار افتادن توربین گاز در نیروگاه، تبعات ناخوشایندی خواهد داشت. به این ترتیب، اکثر نیروگاه‌ها و ایستگاه‌های تولید برق به سامانه جایگزین ذخیره مجهز هستند. به این معنی که می‌توان در صورت ازکارافتادن توربین گازی، قبل از خارج‌شدن نیروگاه از مدار، از ظرفیت اضافی استفاده کنند.

حداقل یک توربین جایگزین برای عملیات در بار بالا مورد نیاز است. به‌عنوان مثال، برای بار ۲۰۰ مگاواتی، شش توربین عملیاتی ۴۰ مگاواتی، ظرفیت ۲۴۰ مگاواتی تولید می‌کنند که می‌تواند هدررفت یک نیروگاه سیکل باز را پوشش دهد. توربین‌های مشتق از موتور هوایی معمولا در مقایسه با انواع توربین‌های گاز صنعتی، عملکرد بهتری در ایفای نقش به‌عنوان ماشین جایگزین دارند.

سازندگان به دنبال بهبود توربین‌های گازی از طریق توسعه مواد، فناوری احتراق و روش‌های جدید هستند. با ارتقا سامانه خنک‌کاری هوای ورودی و کمپرسور می‌توان به توان بیشتری دست یافت. این امر می‌تواند بهره‌وری کلی را بسته به کاربرد و سامانه بهبود یا کاهش دهد.

شاخص‌های بلوغ فناوری در این حوزه شامل دسترسی تجاری، قابلیت استفاده فراساحلی، مقاوم‌سازی سازه، تجربه بیش از ۳۰ سال در صنایع مختلف و به‌ویژه در صنعت نفت و گاز است.

توربین‌های گاز تا حدود ۵۰ مگاوات ممکن است توربین‌های گاز صنعتی یا توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتور هوایی باشند. واحدهای بزرگ‌تر تا حدود ۳۳۰ مگاوات برای اهداف خاصی طراحی می‌شوند. توربین‌های کوچک‌تر معمولا به دلیل وزن کمتر برای کاربردهای دریایی نیز مورداستفاده قرار می‌گیرند.

بهره‌وری نمونه‌های توربین گاز مشتق از موتور هوایی روزآمد، معمولا بین ۳۳ تا ۴۳ درصد در حداکثر بار هستند. این امر بطور قابل‌توجهی در بارهای جزئی کاهش می‌یابد. بهره‌وری توربین‌های گاز قدیمی از دهه ۱۹۸۰، در محدوده ۲۵ درصد قرار دارند.

برای تاسیسات فراساحلی جدید، تجزیه و تحلیل نیاز به برق و گرما، الزامات صرفه‌جویی، فضای موجود و محدودیت‌های وزن برای طراحی یک راه‌حل بهینه جهت مدیریت هزینه‌های ‌سرمایه‌گذاری، محدودیت‌های لجستیکی و هزینه‌های سوخت و آلاینده‌ها مهم است.

برای سکوهای فراساحلی موجود با ژنراتورهای نیروگاه سیکل باز، محدودیت‌های فضا و وزن برای نصب یک واحد بازیافت بخار حرارتی و ژنراتور توربین بخار باید در نظر گرفته شود. چنین اصلاحاتی ممکن است برای برخی از تاسیسات فراساحلی پرهزینه یا از نظر فنی غیرممکن باشد. در اینصورت، هزینه سرمایه برای اصلاح، صرفه‌جویی در هزینه عملیاتی ناشی از مصرف انرژی یا سوخت کمتر و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای باید قبل از تصمیم‌گیری برای مقاوم‌سازی سامانه توان ارزیابی شود.

توربین‌های مشتق از موتور هوایی معمولا به تعمیر و نگهداری مکرر، به‌عنوان مثال، به ازای چهار هزار ساعت در مقابل ۱۶ هزار ساعت برای توربین‌های گاز صنعتی نیاز دارند. توربین‌های گاز صنعتی تک محوره ممکن است برای تولید برق بار پایه در شبکه‌های کوچک تا متوسط ترجیح داده شوند، به این دلیل که می‌توانند پایداری سامانه توان را فراهم کنند. الزامات کنترل آلایندگی، به‌عنوان مثال، ناکس کم در اکثر توربین‌ها با هزینه بازده پایین استاندارد است. توربین‌های بالای ۵۰ مگاوات معمولا صنعتی هستند.

برای توربین‌های فراساحلی، اندازه بهینه و نسبت توان به وزن بالا و همچنین در دسترس بودن، قابلیت اطمینان و استحکام عوامل کلیدی هستند. همچنین، لازم است بین یک توربین گاز بزرگ با پشتیبان مناسب یا تعداد کمتر توربین برای کاربردهای خاص تصمیم‌گیری شود. توربین‌های گاز بزرگ با بهره‌وری بالاتر کار می‌کنند، اما به اندازه سامانه سیکل ترکیبی کارآمد نیستند.

نیروگاه‌های توربین گازی سیکل باز برای احتراق گاز در جهت تولید برق یا الکتریسیته بکار می‌روند و نسبت به فناوری‌هایی که از بازیافت حرارتی برای گرمایش یا تولید برق اضافی استفاده می‌کنند، کارایی کمتری دارند. موتورهای گازسوز یا دیزلی نیز ممکن است جایگزینی برای نیروگاه سیکل باز باشند، اما سوخت آنها در اغلب کشورها گران قیمت بوده و دارای معایب دیگری مانند انتشار ناکس و اکسیدهای گوگرد است.

با گذشت زمان عملیاتی، عملکرد توربین گاز کاهش می‌یابد. آلاینده‌های موجود در هوای ورودی، باعث ورود گرد و خاک به توربین شده و کارایی را کاهش می‌دهد. در مراکز تولید نفت و گاز، اغلب از توربین‌های گاز محدود استفاده می‌شود و هر گونه نقص در عملکرد توربین گاز مستقیما بر نرخ تولید تأثیر می‌گذارد. رسوب در بخش کمپرسور توربین گاز عامل اصلی این بدتر شدن عملکرد است. بیشتر خرابی قابل بازیابی است و رسوب را می‌توان با شستشوی قسمت کمپرسور با آب از بین برد.

شستشوی کارآمد با آب، خرابی توربین گاز را کاهش می‌دهد، در نتیجه توان موجود از توربین گاز و بهره‌وری آن افزایش می‌یابد. همچنین می‌توان با تعویض مکرر فیلترهای ورودی توربین، رسوب و خرابی را کاهش داد. هر دو روش منجر به کاهش مصرف سوخت و انتشار کمتر دی‌اکسیدکربن و ناکس می‌شوند.

بطور معمول، این شستشوی آب به صورت آفلاین انجام می‌شود. فواصل مکرر برای شستشوی آفلاین با آب، بهره‌وری توربین را افزایش می‌دهد، اما این نیز یک عملیات زمان‌بر است. افت فشار فیلتر هوای ورودی توربین قابل نظارت است و فیلترها را می‌توان برای جلوگیری از خراب‌شدن عوض کرد.

بر اساس تجربه، تعویض فیلترهای ورودی آسان‌تر از شستشوی مستمر آب است و بهره‌وری را به همان میزان افزایش می‌دهد. برای یک توربین گاز مشتق از موتور هوایی ۲۱ مگاواتی و مورداستفاده فراساحلی، تغییر فیلتر ورودی می‌تواند توان را ۰.۴ تا ۰.۸ مگاوات افزایش دهد و تا حدود ۴ هزار تن در سال آلایندگی دی‌اکسیدکربن را کاهش دهد.

منبع:

ipieca

#نیروگاه حرارتی