طرح احداث نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی (به انگلیسی: Combined cycle power plant) نیروگاهی است که شامل شماری توربین گاز و توربین بخار می‌شود. در این گونه 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 آن‌ها هدر می‌رود. در حالی که در نیروگاه سیکل ترکیبی، از این انرژی استفاده می‌شود و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان (بازده) سیکل افزایش می‌یابد. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی (Combined cycle power plant) راه حل بسیار کارآمد، انعطاف‌پذیر، 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 می‌باشد به نحوی که ژنراتور توربین گازی برق را تولید می‌کند، در عین حال انرژی حرارتی تلف شده از توربین گاز (توسط محصولات احتراق) برای تولید بخار مورد نیاز توربین بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد و به این طریق برق اضافی تولید می‌شود. با ترکیب کردن این دو سیکل بهره بری از نیروگاه افزایش پیدا می‌کند. بازده الکتریکی از یک چرخه ساده کارخانه نیروگاه برق بدون استفاده از اتلاف گرما به‌طور 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 نیروگاه‌ها از ترکیب توربین‌های بخار و گاز ساخته می‌شوند و بسته به نوع توربین‌ها، دیگ‌های بازیافت گرما، و دستگاه‌های بازیابی انواع متعددی دارند. با به کارگیری توربین‌های بخار در چرخه‌های ترکیبی می‌توان پایین بودن بازده آن را بر طرف کرد و در نتیجه آن را برای تأمین بار پایه به کار گرفت، در عین حال از مزایای دیگر آن نیز مانند راه اندازی سریع و انعطاف‌پذیری آن در محدودهٔ گسترده‌ای از بار بهره‌مند شد. 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. 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 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.

تاریخچه نیروگاه چرخه ترکیبی

ایده سیکل ترکیبی برای بهبود بازده سیکل ساده برایتون، از طریق استفاده از حرارت گازهای خروجی توربین گازی، پیشنهاد شد. این امر به وسیله 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 کن گرما امکان افزایش توان خروجی را ندارد و فقط راندمان را افزایش می‌دهد. از آنجایی که مبادله کن 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. با توجه به توان بیشینه چرخه‌های ساده، از آن‌ها در جاهایی بهره می‌گیرند که راندمان خروجی از اهمیت کمتری برخوردار است. در حالی که چرخه‌های بازیابی را در مواردی مورد استفاده 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 پر هزینه‌ای است. از این رو باید به دنبال روشی بود که از طریق آن بتوان به هر دو نیاز، یعنی راندمان و توان بالا دست یافت. راه حلی که پیشنهاد شد در واقع بهره‌گیری از انرژی حرارتی بسیار بالای گازهای خروجی توربین گازی برای تولید بخار مورد نیاز نیروگاه بخار بود. توربین گازی دارای گازهایی با دمای حدود ۱۲۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد، و توربین گازی ماشینی با دمای حدود ۵۳۰ تا ۶۴۰ درجه سانتی گراد 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 ساخته شد. از آن به بعد تعداد نیروگاه‌های سیکل ترکیبی به خصوص در دهه ۱۹۷۰ به سر عت افزایش یافت.

انواع نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی از نظر نوع توربین‌ها و بازیاب‌ها و وجود مشعل به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:
۱. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل
۲. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل
۳. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی یا گرمایش آب تغذیه
۴. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چند گانه
۵. 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 مورد استفاده قرار می‌گیرد که قرار باشد بخش بخار آن به‌طور دائم کار کند، که در این صورت نباید وابستگی به توربین گازی داشته باشد. در نوع دوم از این نیروگاه‌ها از گازهای داغی که به عنوان محصولات احتراقی از توربین گازی خارج می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دود خروجی دارای حجم بالا و دمایی حدود ۵۰۰ درجه سانتی گراد است و به داخل بویلر برای تبدیل آب به بخار ارسال می‌شود تا از انرژی بخار برای به حرکت درآوردن ژنراتور مورد استفاده قرار بگیرد. کاربرد گونه‌های مختلف سیکل‌های ترکیبی متفاوت است. ازنیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل بیشتر برای تأمین بار پایه و میانی مورد استفاده 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 مورد استفاده قرار می‌گیرد. در چرخه‌های ترکیبی که قدرت پایینی دارند توان توربین بخار در حدود ۵۰ درصد 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 به این ترتیب بازده نیروگاه به‌طور کلی افزایش پیدا می‌کند. ساده‌ترین نوع این چرخه، چرخه با فشار دوگانه است، هرچند که چرخه با فشار سه‌گانه نیز مورد استفاده قرار گرفته‌است. به عنوان مثال 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 پاین 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. در صورتی که از این روش استفاده شود، مقداری آب تلف خواهد شد که به‌طور پیوسته باید آن را جبران کرد.

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.

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.

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.

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.

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 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.

پیش بینی وضعیت سرمایه گذاری طرح احداث نیروگاه سیکل ترکیبی

توان تولید: ۵۰۰ مگاوات
نرخ برابری دلار : ۲۵۰۰۰ تومان
مساحت زمین موردنیاز : ۳۰۰۰۰ مترمربع
زیربنای کل : ۱۲۰۰۰ مترمربع
میزان سرمایه گذاری ثابت : ۳۰۰ میلیون یورو (بدون احتساب هزینه زمین)

درصورت تمایل به این مطلب امتیاز دهید: