سیکلهای توربین گازی مولد

۸۵/۰

سیکلهای ترکیبی بخار-گاز

۱/۱

جدول ۱-۱، نسبت P/H متناسب در سیستم سرویس جانبی

اما موضوع مهم در این کار مسئله طراحی و تجزیه و تحلیل برای یافتن سیستمی است که بتواند گرما و توان مورد نیاز وسائل را با توجه به حداقل کردن مصرف انرژی و هزینه ی کل تأمین کند. روند کار چنین است که نسبت توان به گرمای فرایند برای وسایل، در یک مقدار مشخص شده، طراحی می شود. به عبارت دیگر نیازهای گرما و توان مورد نیاز باید به درستی تطابق داشته باشند، سپس مصرف گرما که بوسیله گرمای خالص سوخت ورودی تعریف می شود، باید در نظر گرفته شود. از آنجا که قیمت انرژی سیستم سرویس جانبی فاکتوری مهم در تجزیه و تحلیل و توزیع قیمت سالانه می باشد، در صورتیکه این موضوع مورد توجه قرار نگیرد مقدار واقعی هزینه ی کل ارزیابی نخواهد شد.
اما در راستای استفاده از روش های ریاضی، پاپولیاس و گروسمن[۷] در سال ۱۹۸۳ مسئله ترکیبی تولید توان و گرما(CHP) را در زمینه یکپارچه سازی انرژی فرایندهای شیمیایی ، بررسی کرده اند .آنها مقالاتی در راستای استفاده از برنامه ریزی ریاضی برای چگونگی یکپارچه سازی شبکه سرویسهای جانبی ارائه کردند. در اولین مقاله، سیستم سرویس جانبی در قالب یک ابرساختار مدل شده است و می تواند با تأمین نیازها، بهینه شود. آنها برای بهینه سازی ساختار و پارامترهای سیستم سرویس جانبی با نیازهای ثابت توان و بخار، از یک روش MILP استفاده کردند. سیستم سرویس جانبی بهینه از یک ابرساختار بدست آمد و با بهره گرفتن از توازنهای ساده ، مدل شد. کار بعدی آنها با احتساب تغییرات پیش بینی شده در نیازهای فرایند به شکل یک الگوی نیاز سرویس جانبی چند مرحله ای توسعه یافت ؛ در دومین مقاله (پاپولیاس و گروسمن، (۱۹۸۳)، بارهای حرارتی ابرساختار سیستم سرویس جانبی ، متغیرهایی در فرمول بندی نمودار حرارت می شوند که محاسبه تولید ترکیبی کار مکانیکی و حداقل انرژی مورد نیاز را ممکن می سازد و در سومین مقاله، مدلهای سرویس جانبی و نمودار آبشاری گرما با یک روش MILP عمومی برای سنتز کل سیستم، یکپارچه می شوند ]۵،۶ و ۷ [.
در سال ۱۹۸۴ به منظور انتخاب فشار خطوط اصلی بخار، لینهوف و مورتون[۸] منحنی های مرکب گراند را پیشنهاد کردند ]۸[ و در سال ۱۹۸۹، سوانی[۹] یک سری انتقالی برای طراحی شبکه ها شامل موتورهای حرارتی و پمپ های حرارتی را گسترش داد. این راه حل آلترناتیوهای طراحی را مشخص می کرد و زمینه ای برای تصمیم گیری در انتخاب جانمایی نهایی طرح را فراهم می آورد ]۹[.
دال و لینهوف در سال ۱۹۹۲، با هدف حداقل کردن مصرف سیستم سرویس جانبی فرایند کل با بهره گرفتن از پروفیل های چشمه و چاه، روش یکپارچه سازی کل واحد برای چند فرایند را ارائه کردند. در این روش پروفیل های چشمه وچاه، میزان تولید و مصرف گرمای خالص در فرایند کل را ارائه می کند (به این مفهوم که میزان گرمای خالص مورد نیاز و دفع شونده به سرویس های جانبی را پس از حداکثر شدن بازیافت حرارت در فرایندها نشان می دهد). تجزیه وتحلیل گلوگاهی (پینچ) راه حل بهینه کلی را به دست نمی دهد، چرا که این راه کار نمی تواند بصورت همزمان با موازنه های مواد به کار برده شود، اما قادر است به سرعت ساختارهای یکپارچه شده خوبی را بین فرایندهای نسبتا پیچیده ارائه دهد، لذا این روش، به عنوان روشی که می تواند به سرعت ساختارهای مناسبی نزدیک به حالت بهینه را برای فرایندهای پیچیده ارائه کند، قابل استفاده است ]۱۰[.
در سال ۱۹۹۴، رایسی با بهره گرفتن از روش تجزیه و تحلیل فرایند کل، تعیین سطوح بهینه بخار و در نتیجه ی آن حداقل شدن مصرف سوخت (MFR) یا هزینه سرویس های جانبی (MUC) را ارائه کرد ]۱۱[.
همانطور که ذکر شد یکپارچه سازی شبکه بخار مرحله ای مهم در انتگراسیون سیستم سرویس جانبی با هدف حداقل کردن هزینه ی انرژی مورد نیاز (MCER) می باشد، زیرا در فرایند های صنعتی، شبکه بخار نقش خیلی مهمی را ایفا می کند و آن عبارت است از انتقال انرژی به داخل فرایند و مابین فرایند ها. از آنجا که بخار می تواند قبل از مصرف در فرایند برای تولید توان مکانیکی بوسیله توربینها منبسط شود، شبکه بخار به تولید ترکیبی توان و گرما مرتبط می شود. در ابتدا مارشال و کالیتونتزف یک فرمول بندی MILP عمومی که یکپارچه سازی سرویسهای جانبی برای تأمین انرژی مورد نیاز در کمترین هزینه را ممکن می ساخت، ارائه کردند. این فرمول بندی شامل توازن توان مکانیکی بود که تولید ترکیبی را امکان پذیر می نمود. سپس روشی بر مبنای مفاهیم ترمودینامیکی که تعیین فشار بهینه در شبکه بخار را ممکن می سازد، ارائه کردند. مبنای کار آنها استفاده از سیکل رانکین می باشد. تجزیه و تحلیل انتگراسیون سیکل رانکین نشان می دهد که این سیکل می تواند با مستطیلهای یکپارچه در منحنی ترکیبی جامع (G.C.C.) موازنه شده، ارتباط داده شود؛ به این صورت که اضلاع افقی مستطیل بوسیله دماهای تبخیر و میعان تعریف شوند و کار مکانیکی تولید شده متناسب با سطح مستطیلها باشد و بوسیله سیکل کارنو به صورت تقریبی تخمین زده شود. در نهایت مشخصات سیکل رانکین، به عبارت دیگر سطوح فشار و دمای فوق اشباع، از تعیین مستطیل ها به دست خواهد آمد(شکل ۱-۱).
در این کار شبکه های بخار با بهره گرفتن از انتگراسیون سیکل رانکین ساخته می شوند. تعیین سطوح بخار با یکپارچه کردن مستطیل ها در منحنی ترکیبی جامع موازنه شده، صورت می گیرد. این سیستم یکپارچه تولید همزمان توان و گرما (ICHP) نامیده می شود و از انرژی در دسترس فرایند برای تولید
کار مکانیکی استفاده می کند. می توان بر مبنای مفهوم تولید همزمان توان و گرما (ICHP)، یک فرمول بندی ریاضی برای تعیین فشارها و دماهای شبکه بخار، پیشنهاد داد. اضافه کردن معادلات مدل سازی شبکه بخار برای محاسبه کمترین هزینه انرژی مورد نیاز (MCER)، تعیین شدت جریان های بهینه بخار را ممکن می سازد و هزینه انرژی مورد نیاز را به وسیله تولید همزمان کار مکانیکی و گرما به حداقل
می رساند]۱۲[.
در سال ۱۹۹۷، کوکوسیس و ماوروماتیس با بهره گرفتن از مدلهایTHM و BHM، قابلیت هدف گذاری سوخت، سرویس جانبی خنک کننده و پتانسیل تولید کار با مصرف گرما را توسعه دادند. آنها عنوان کردند که به منظور یافتن راه حل بهینه برای حداقل کردن هزینهء سرویسهای جانبی، باید رابطه بین بازیافت و تولید همزمان کار و گرما را به درستی تشخیص داد. این امر می تواند از طریق متدولوژی بهینه سازی، به شرح زیر بدست آید ]۱۳[.
۱) استفاده از مدلهای هدف گذاری برای محاسبه بازده دیگهای بخار و توربینها:
الف- مدل BHM.
ب- مدل THM.
در ذیل هر یک از این مدلها به اختصار معرفی می شوند:
مدل BHM: به منظور نشان دادن مسائل بهینه سازی در سیستم سرویس های جانبی قابل تغییر، یک مدل جدید برای دیگ بخارها پیشنهاد شده است که مدل سخت افزاری دیگ بخار (BHM ) نامیده شده است. این مدل بر اساس اصول ترمودینامیکی می باشد؛ درنتیجه قابلیت محاسبه بازده دیگ بخارهای واقعی را دارد. در حقیقت BHM قاعده ای کلی برای محاسبه بازده دیگ بخار ارائه می کند. شکل ۱-۲ رابطه بین بار حرارتی بخار، تلفات گرما و سوخت مورد نیاز را نشان می دهد.
که:
Qfuel = Qsteam + Qloss
= بازده Qsteam / Qfuel

Qfuel : سوخت مورد نیاز،
Qsteam