شبیه‌سازی دینامیکی چرخه نیروگاه‌ قدرت سیکل ترکیبی در بازار برق

چکیده

واژگان کلیدی

1. مقدمه

2. مطالعه موردی و روش‌شناسی

2.1 مدل HRSG قدرت حرارتی

شکل 1. نمودار شیء مدلیکا از ژنراتور بخار بازیابی حرارت تک فشار

جدول 1 اطلاعات هندسی تبادل‌گر حرارتی

2.2 مدل ThermoPower HRSG

شکل 2. نمودار شیء مدلیکا از یک ژنراتور بخار بازیابی حرارت تک فشار

شکل 3 نمودار مدلیکا از مدل تبادل‌گر حرارتی

2.3 مدل در Matlab/Simulink

3. اعتبارسنجی مدل

شکل 4: نرخ جریان جرمی و دمای گازهای خروجی در بخش ورودی HRSG

شکل 5 فشار بخار در ورودی درام

شکل 6 دمای بخار در بخش خروجی سوپرهیتر

4. تجزیه و تحلیل دینامیک

شکل 7: نرخ جریان جرمی گاز خروجی در ورودی HRSG برای گذراهای «Tr. A» و «Tr. B»

شکل 8 فشار درام بخار در طول گذراهای «Tr. A» و «Tr. B»

شکل 9- قدرت الکتریکی تولید شده توسط ژنراتور الکتریکی در طول گذراهای «Tr. A» و «Tr. B»

5. روش محاسبه طول عمر و نتایج

شکل 10. نرخ جریان جرمی و دمای گازهای خروجی در ورودی HRSG در طی گذراهای Tr. 1، Tr. 2 و Tr. 3

شکل 11. فشار بخار در خروجی سوپرهیتر در طول گذراهای Tr. 1، Tr. 2، Tr. 3

شکل 12 دمای بخار در خروجی سوپرهیتر در طول گذراهای Tr. 1، Tr. 2 و Tr. 3

شکل 13. فشار بخار به درام در طول گذراهای Tr. 1، Tr. 2 و Tr. 3

شکل 14. تنش معادل Tresca امضا شده در طول گذراهای Tr. 1، Tr. 2 و Tr. 3

۶. نتیجه‌گیری

تنظیم مجدد بازارهای انرژی با گسترش سریع نیروگاه‌های قدرت منابع انرژی غیر‌قابل‌پیش‌بینی، بر ضرورت بهبود انعطاف‌پذیری نیروگاه‌های سنتی صحه می‌گذارد. عملیات سیکلی در کوتاه مدت موجب افزایش سودآوری می‌شود، اما در مدت زمان نسبتا بیشتر، به دلیل فرسودگی مکانیکی-حرارتی، خزش و خوردگی باعث کاهش طول عمر می‌شود. در این نوشتار، نیروگاههای سیکل ترکیبی، بیشتر در معرض مشکلات عملی انعطاف‌پذیری قرار دارند. به همین علت، دو گروه تحقیقاتی از دو دانشگاه ایتالیایی، روشی برای تخمین هزینه‌های طول عمر دستگاه با تمرکز ویژه بر درام‌های بخار و سوپرهیتزها / یخچال‌ها توسعه داده‌اند. برای ارزیابی کاهش طول عمر، برای توصیف رفتار نیروگاه، پیش‌بینی روند ترمودینامیکی متغیرها ضروری است. بنابراین، هسته این روش، مدل دینامیکی نیروگاه است. در این راستا، در این مقاله، سه مدل دینامیک مختلف برای یک توربین گازی سیکل ترکیبی تک فشار یکسان ارائه شده است. مدل‌ها با استفاده از سه روش مختلف ساخته شده و برای شبیه‌سازی رفتار نیروگاه در شرایط عملیاتی واقعی استفاده می‌شوند. علی رغم این تفاوت‌ها، پروفایل‌های زمانی پارامترهای ترمودینامیکی ارائه شده در این مقاله مطابقت دارند. در نهایت، ارزیابی کاهش طول عمر درام انجام می‌شود.

در چند دهه گذشته، تقاضای انرژی جهانی به سطح رسیده است که تا پیش از آن رخ نداده بوده است. این موضوع به نوبه خود منجر به بروز چندین مشکل زیست محیطی مانند آلودگی هوا، گرم شدن زمین، کاهش لایه اوزون و کاهش سوخت‌های فسیلی شده است. این جنبه‌ها دولت‌های بین‌المللی را مجبور کرده است تا آزادسازی بازارهای انرژی (نگاه کنید به [1،2]) و گسترش منابع انرژی تجدید‌پذیر (RES) را ارتقا دهند [3]. یک نتیجه عمده از این فرآیند، نفوذ زیاد منابع انرژی پیش‌بینی نشده مانند انرژي باد و خورشید است که تاثیر زیادی بر روی بازار برق دارند. پس، همانطور که قبلا توسط نویسندگان مورد بحث قرار گرفته است [4-6]، انعطاف‌پذیری، قابلیت دسترسی و چرخه سریع به مفاهیم اساسی برای رقابت در بازار برق جدید تبدیل شده‌اند. به همین دلیل، واحد‌های ترموالکتریک به تغییر رویه از بار-محور بودن به چرخه عملیات نیاز دارند: حالت عملیاتی که با رمپ‌های بار سریع، زمان کوتاه شروع به کار و خاموشی مشخص می‌شود و امکان بهبود رقابت‌پذیری نیروگاه قدرت و حفظ پایداری شبکه را میسر می‌کند. همانطور که توسط بالینگ [7] مشخص شده است، پایداری شبکه اغلب با افزایش تعداد نیروگاه‌های قدرت عرضه کننده قدرت با منابع انرژی تجدیدپذیر غیر قابل‌پیش‌بینی و عدم وجود سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ، متضرر می‌شود. بنابراین، سرمایه‌گذاری با تمرکز بر روی این زمینه تحقیقاتی، برای تضمین پایداری شبکه‌های برق در چارچوب اروپا ضروری است. با این وجود، همانطور که توسط کیتلی و همکاران بیان شده است [8]، در مورد ایرلند، پایداری شبکه یکی از نگرانی‌های خاص صاحبان و اپراتورهای نیروگاه‌های سوخت فسیلی است؛ زیرا عملیات چرخه‌ای این واحدها برای یکپارچه‌سازی سطوح بسیار بالایی از قدرت بادی مورد نیاز است. علاوه بر این، بالینگ [7] بیان می‌کند که نیروگاه‌های متعارف آلمان در پنج سال آینده بایستی چند بار در هفته یا حتی به صورت روزانه خاموش شوند. بدیهی است، چرخه نیروگاه‌های متعارف و سیستم‌های ذخیره انرژی برای حفظ پایداری شبکه، اساسی هستند، اما یکی دیگر از گزینه‌های امیدوار کننده توسط سیستم‌های ترکیبی تولیدمشترک با ذخیره انرژی [9،10] و واحد های بازیابی حرارت اتلافی ارائه شده است [11-15]. بنابراین، نیازهای عملیاتی جدید (عملیات دو-شیفتی، عملیات جزیره‌ای، عملیات پیگیری-بار ، قابلیت شروع به کار سیاه و شروع‌به کار شدید)، به منظور پایدارسازی دینامیک شبکه برق و تضمین تامین برق اقتصادی برای نیروگاه‌های سوخت فسیلی بوجود می‌آیند. این نوع استراتژی عملیاتی جدید، در کوتاه مدت، سود بالایی را تضمین می‌کند، اما موجب کاهش قابل‌توجهی در طول عمر مهمترین دستگاه‌های نیروگاه می‌شود که در معرض فرسودگی، خزش و خوردگی حرارتی-مکانیکی قرار دارند (کارهای سالونن و همکاران [16] و لفتون و همکاران [17] را ببینید). همانطور که توسط تیکا و همکاران [18] و آلوبید و همکاران [19] بیان شده است، بهبود عملکرد راه‌اندازی ، رمپ‌های بار و خاموشی برای رقابت‌پذیری ضروری است، اما همانطور که بانتو و همکاران [6] بیان کرده‌اند، دسترسی به روشی که قادر به پیش‌بینی طول عمر باقیمانده دستگاه‌های نیروگاه، با توجه به اثرات ترکیبی خزش، فرسودگی حرارتی-مکانیکی، خوردگی و اکسیداسیون باشد، برای بهینه‌سازی برنامه‌ریزی عملیات و تعمیر و نگهداری نیروگاه‌ ضروری است. علاوه بر این، در بازار انرژی آزادسازی شده، اپراتورهای نیروگاه نیاز به ابزارهای شبیه‌سازی دارند که قادر به آزمایش استراتژی‌های عملیاتی مختلفی باشند که به آنها اجازه می‌دهد تا نیروگاه‌ها را بدون اینکه طول عمر باقیمانده آنها را به مخاطره بیاندازند، مدیریت نمایند. این ابزارها نه تنها در مرحله طراحی نیروگاه سودمند هستند، بلکه در عملیات روزانه نیروگاه نیز می‌توانند به منظور برنامه‌ریزی رمپ‌های بار و خاموشی‌ها و افزایش شکاف بین حداکثر توان و حداقل بار فنی، بدون صرف‌نظر کردن از محدودیت‌های زیست محیطی، بسیار مفید باشند [20 ]. در سیکل‌های ترکیبی با تکنولوژی‌های سریع، کارآمد‌ و گسترده‌، یکی از نگران‌کننده‌ترین مسائل مورد بررسی، انعطاف‌پذیری است. به طور معمول، این نیروگاه‌ها، به لطف انعطاف‌پذیری ذاتی آنها که بالاتر از نیروگاه‌های قدرت بخار است، گردش و خدمات رزرو سرد یا عملیات دو-شیفتی ارائه می‌دهند (زیرا آنها اغلب با راه‌اندازی و خاموشی روزانه کار می‌کنند) [16]. در واحدهای توربین گازی سیکل ترکیبی، ژنراتورهای بخار بازیابی حرارت (HRSGها) [21] و توربین¬های گازی/بخاری، مهم‌ترین اجزای موجود در معرض تنزل خزش و فرسودگی چرخه-پایین می‌باشند [22،23]. به طور خاص، در HRSGها با فشارهای چندگانه، درامهای بخار فشار بالا یکی از اجزای تحت بیشترین تنش هستند که با ضخامت بسیار زیاد مشخص می‌شوند و نقاط ضعف بسیاری (پایین آمدن‌ها ، بالارونده‌ها ، لوله‌های بخار) نشان می‌دهند که مقادیر بالایی را برای فاکتورهای تراکم تنش تعیین می‌کنند. هر فرسودگی چرخه بار موجب خرابی قطعات فلزی شده و آسیب‌ انباشته شده باعث خرابی می‌شود و در نتیجه مداخلات تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی نشده به وجود می‌آید؛ برای این کار کارزاس و همکاران [24] روشي براي ارزيابي قابليت اطمينان و قابليت در دسترس بودن HRSGهاي نصب شده در نيروگاه‌هاي سیکل ترکیبی ارائه داده‌اند تا بدين ترتيب قطعاتی را كه بيشتر در معرض خرابي قرار دارند، شناسايي نمایند. با توجه به سناریوی جدید بازار که در آن انعطاف‌پذیری و مشکلات مربوط به انعطاف‌پذیری مطرح می‌شود، نویسندگان روشی نوآورانه (روش محاسبه طول عمر) توسعه‌ داده‌اند که قادر به پیش بینی رفتار نیروگاه در حالت عملیات چرخه‌ای و برآورد کاهش طول عمر مفید اجزاء نیروگاه است [6]. همانطور که گفته شد، برای پیش بینی کاهش طول عمر قطعات فلزی به علت عملیات‌چرخه‌ای، ضروری است که روندهایی از پارامترهای ترمودینامیکی اصلی (مانند نرخ‌های جریان جرمی آب/بخار، دما و فشار) که رفتار نیروگاه‌ را توصیف می‌کنند، پیش‌بینی شود. بنابراین، هسته روش محاسبه طول عمر، مدل دینامیکی نیروگاه است. امروزه شبیه‌سازی دینامیکی و به ویژه تجزیه و تحلیل دینامیکی نیروگاه، یک گام اساسی برای دستیابی به عملکرد مطلوب تحت انواع محدودیت‌های مختلف مربوط به طراحی سیستم، عملیات نیروگاه و تاثیر زیست محیطی است. در پیشینه ادبیات، چندین مدل ریاضی برای بررسی نیروگاه‌های سیکل ترکیبی ژنراتور بخار بازیابی حرارت (HRSG) با استفاده از ابزارهای مختلف، شبیه‌سازی پیشنهاد شده است. دامون و هیون [25] مدلی ریاضی از ژنراتور بخار بازیابی حرارت توسعه داده‌اند، در حالی که اونگیرو و همکاران [26] مدلی برای یک واحد HRSG با دو سطح فشار ساختند. شیراکاوا و همکاران [27] یک مدل شبیه‌سازی دینامیکی ایجاد کردند که قادر به بهینه‌سازی فرایند راه‌اندازی یک واحد توربین گازی سیکل ترکیبی بود. آلبوید و همکاران یک مدل شبیه‌سازی استاتیک و دینامیک از یک ژنراتور بخار بازیابی حرارت زیربحرانی و فوق بحرانی (مراجع [۱۹و۲۸] را ببینید) با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی فرآیند پیشرفته Apros [29] و به کارگیری از نرم افزار شبیه‌سازی پردازش پیشرفته Aspen Plus Dynamics پیاده‌سازی نمودند [30]، آنها رفتار ژنزاتور بازیابی بخار حرارت را در طی فرایند راه‌اندازی بررسی کردند [31]. مدلی از چرخه طبیعی HRSG با استفاده از زبان مدلیکا توسط کاسلا و پرتولانی [32] توسعه داده شد. این مطالعه با هدف کاهش زمان راه‌اندازی و حفظ زمان مصرف طول عمر قطعات تحت کنترل با بحرانی‌ترین تنش صورت گرفته است. نویسندگان توجه خود را روی تنش‌های حرارتی توربین بخار متمرکز کردند، اما بخش فشار پایین HRSG را بسیار زیاد ساده‌سازی نمودند. علاوه بر این، رفتار تبادلگرهای حرارتی در نظر گرفته نشده است. برعکس، هیومو [33] توجه خود را روی توسعه اجزای دینامیکی ساده‌سازی شده در مدلیکا متمرکز کرد که می‌تواند برای ساخت مدل‌های نیروگاهی استفاده شود. در نهایت، یک بررسی مختصر از تکنیک‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای تجزیه و تحلیل عملکرد هر دو عملیات ایستا و پویای نیروگاه‌ها در [34] ارائه شده است، در حالی که رفتار دینامیکی نیروگاه‌های کوچک مقیاس (مانند واحدهای چرخه روانکین ارگانیک و چرخه باتمینگ هوا) با استفاده از زبان مدلیکا در مورد بررسی قرار گرفته است [35-37]. در نتیجه، به رغم آثار فوق، به دانش نویسندگان، هیچ یک از این مطالعات، مقایسه‌ای بین مدل‌های دینامیک مختلف با درجات مختلف جزئیات، یک واحد قدرت سیکل ترکیبی تک فشار برای پیش‌بینی رفتار نیروگاه و برآورد طول عمر تحت‌ تنش‌ترین قطعات ارائه نداده‌اند. مقاله حاضر به شرح زیر ساماندهی شده است: سه مدل شبیه‌سازی دینامیکی که توسط دو گروه تحقیقاتی مختلف توسعه داده شده است، در بخش 2، با مشخص کردن ویژگی‌های آنها تشریح شده است، در بخش 3، مدل‌ها با توجه به داده‌های ادبیات پیشینه و داده‌های تجربی اعتبارسنحی شده است. در بخش 4، مدل‌های دینامیک برای شبیه‌سازی رفتار نیروگاه در طی مدت دو حالت گذرای معمول ارائه شده توسط یک اپراتور ایتالیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، در بخش 5، روش‌های توسعه یافته برای تخمین طول عمر اجزای در معرض بیشترین تنش به طور خلاصه ارائه شده و برای مطالعه اثر سه نوع شرایط گذرای مختلف مشابه بر روی درام بخار مورد استفاده قرار گرفته است. در نهایت، ملاحظات نتیجه‌گیری در بخش 6 ارائه شده است.