کندانسور بخار (تحت خلاء)

فشار بخار خروجی، ۱۲۰ میلیمتر جیوه
دمای چگالیده شده، ۳۲۸ کلوین
آب خنک کننده در ورودی، ۳۰۳ کلوین
آب خنک کننده در خروجی، ۳۲۳ کلوین

پمپ آب خنک کننده

فشار در ورودی، ۰۱۳/۱ بار
فشار در خروجی، ۹۴/۷ بار
دما در ورودی، ۳۰۳ کلوین
بازده پمپ، % ۶۵

مولد توربین گازی

نسبت تراکم، ۱۰
نسبت انبساط، ۸/۹
بازده کمپرسور، % ۸۵
بازده توربین، % ۸۷
بازده محفظه احتراق، % ۹۸
ارزش حرارتی سوخت، ۴۳۹۵۰ کیلوژول بر کیلوگرم
قیمت سوخت، ۱۳۹۵/۰ دلار بر کیلوگرم
دمای گاز خروجی، ۹۰۰ کلوین

جدول ۱-۳، شرایط عملیاتی تجهیزات ]۱[
برای مسئله فوق الذکر، دو حالت مختلف توسط آنها مورد بررسی قرار گرفت. در اولین مورد، الکتریسیته فقط با بهره گرفتن از توربین های بخار تولید شده است؛ این مسئله بوسیله نیشیو و همکارانش که با تکیه بر قوانین ابتکاری، استفاده از توربین گازی را برای تولید الکتریسیته رد کرده اند، حل شده است. در مورد دوم، امکان تولید الکتریسیته با توربین گازی نیز در ابرساختار آورده شده است. برای توربین گازی و دیگ بخار، سوخت یکسانی استفاده شد (نفت سفید[۱۹] ). برای حالت اول، مسئله شامل ۴۴ متغیر دوتایی، ۲۵۳ متغیر پیوسته و ۱۰۷ قید و برای حالت دوم ۴۵ متغیر دوتایی، ۲۶۱ متغیر پیوسته و ۱۱۵ قید وجود داشت. حل بهینه برای هر دو مورد تقریباً در ۹۰ ثانیه زمان CPU روی یک کامپیوتر DEC-20 با بهره گرفتن از الگوریتم شاخه و مرز[۲۰] بدست آمد.
هزینه ی سالیانه ی شکل بهینه در اولین مورد برابر ۸۲/۲۶ میلیون دلار شد. این شکل بهینه، یک سیکل تراکم رانکین را نمایش می داد که الکتریسیته را با ترکیبی از توربینهای بخار با فشار بالا (HPS) و فشار میانی (MPS) متصل به مولد الکتریکی با یک محور مشترک تولید می کرد. توربین بخار با فشار بالا، یک توربین بدون چگالش[۲۱] بود که به خط اصلی بخار با فشار میانی تخلیه می کرد و توربین بخار با فشار میانی، یک توربین همراه با چگالش[۲۲] با یک خروجی به خط اصلی بخار با فشار پایین (LPS) بود. بخش عمده ی توان مورد نیاز با توربینهای بخار فشار میانی تأمین می شد و برای سایر نیازهای باقیمانده نیز از موتورهای الکتریکی استفاده شده بود.
بر اساس نتایج بدست آمده مشاهده شد که شرایط عملیاتی (دما و فشار) برای خطوط اصلی بخار به شرح زیر به دست آمد:
برای خط اصلی بخار با فشار بالا، فشار برابر ۵۳/۹۶ بار و دما برابر ۷۱۳ کلوین؛ و برای خط اصلی بخار با فشار میانی، برابر ۲۴/۱۷ بار و دما برابر ۶۰۰ کلوین به دست آمد.
در دومین مورد، شکل بهینه هزینه کل سالیانه ای برابر ۷۳/۱۵ میلیون دلار را داشت که این موضوع بیانگر کاهش ۴۱ درصدی هزینه سیستم سرویس جانبی است. بیشتر الکتریسیته مورد نیاز در این حالت بوسیله سیکل توربین گازی (اولین سیکل) تولید می شد و گازهای خروجی در دیگ بخار اصلی بعنوان پیش گرم کننده هوا استفاده می شد و در نتیجه مصرف سوخت در دیگ بخار کاهش می یافت. از آنجا که همه توربینها، بدون چگالش بودند سیکل رانکین (سیکل دوم) به بخش تراکم نیاز نداشت. الکتریسیته باقیمانده نیز بوسیله یک توربین بخار فشار بالا با خروجی به خط اصلی بخار با فشار میانی تأمین می شد. در این حالت علاوه بر اینکه نیازهای توان مورد نظر تأمین می شدند،برای به حرکت در آوردن توربین بخار، پمپ آب خنک کننده و فن های دیگ بخار[۲۳] نیز بار کوچکتری مورد نیاز بود.
ذکر این نکته ضروری است که مصرف سوخت در حالت دوم ۴/۳۸ درصد کمتر است و با توجه به رابطه بین مصرف سوخت و بازده سیستم سرویس جانبی، چنین می توان گفت که کاهش مصرف سوخت در این حالت نشان از بهبود بازده سیستم سرویس جانبی است.
همانطور که شرح داده شد، در حالت دوم از یک سیکل ترکیبی استفاده شده بود اما تفاوت مهم در شرایط عملیاتی این سیستم سرویس جانبی است (هنگامیکه با طراحی بهینه بدست آمده در اولین مورد، مقایسه شود) زیرا شرایط عملیاتی در طراحی بهینه، انتخاب فشار پایین تر برای خط اصلی بخار با فشار بالا (دما برابر ۶۶۱ کلوین و فشار برابر ۶۹ بار) بود که به تبع آن کاهش مصرف سوخت و هزینه ی سیستم سرویس جانبی به وجود آمد.
با مقایسه ای ساده می توان تأثیر تعیین فشار بهینه در مصرف سوخت و هزینه کل سالیانه را دید؛ که این موضوع انگیزه ای قوی برای تعیین سطح فشار بهینه در یک سیستم سرویس جانبی را به وجود می آورد.
فصل دوم
انتخاب نوع توربین ها و ارائه ی معادلات مربوط به تغییر خواص فیزیکی و ترمودینامیکی بخار با تغییرات دما و فشار
۲-۱) بررسی مدلهای مختلف برای انتخاب نوع توربین ها
در حالت کلی، مدلهای ساده برای نمایش توربین های بخار، با فرض بازده های ثابت و نادیده گرفتن قیود ظرفیت تجهیزات، مورد استفاده قرار می گیرند. مخصوصاً هیچ روش سیستماتیکی برای طراحی شبکه ی توربینهای بخار پیشنهاد نشده است که قابلیت در نظر گرفتن بازده واقعی توربینها و شکلهای گوناگون شبکه را داشته باشد.
دو سیکل کلی برای توربینها وجود دارد: ۱) سیکل بخار ۲) سیکل گازی.
می شود. در مورد سیکلهای گرمایش مجدد می توان گفت، از آنجا که بازده حرارتی کل یک سیکل گرمایش مجدد در مقایسه با سیکل رانکین همواره کمتر است، در یک سیکل گرمایش مجدد، ابتدا بخار به فشارهای میانی منبسط می شود و پس از این که در توربین منبسط شد دوباره در دیگ بخار گرم می شود. لازم به ذکر است که، یک سیکل گرمایش مجدد تنها در صورتی می تواند بازده حرارتی کل را افزایش دهد که بازده حرارتی قسمت گرمایش مجدد از سایر قسمتها بزرگتر باشد.
بزرگی سطح تبادل حرارت و پیچیدگی در طراحی سیستم، از رسیدن به راندمان بالا در سیکل گرمایش مجدد می کاهد، این بدان معناست که اگر بخار ورودی به توربین همراه با چگالش تنها جزء کوچکی از مقدار کل باشد، نیازی به طراحی به یک سیکل گرمایش مجدد نیست. بنابراین سیکل گرمایش مجدد برای طراحی وسایل تولید توان فقط هنگامی سودمند است که مقدار زیادی از گرما به آب خنک کن تخلیه شود.
موضوع مهم دیگری که باید درنظر گرفته شود، شکل بندی توربین، انواع مختلف آن (ساده یا پیچیده)، قرار گرفتن آنها به صورت سری یا موازی، است. این تنوع انتخاب، تعداد زیادی از طرح های گوناگون، بازده کل و هزینه های کل متفاوتی را سبب می شود. ملاحظه ی تغییرات عملیاتی، باعث تعدد و تنوع در انتخاب طرح ها می شود که حل آن حتی برای مسائل محدود هم مشکل است. از طرف دیگر اگر میزان بخار مورد نیاز با زمان تغییر کند یعنی میزان تقاضا ثابت نباشد، مهم است که شبکه ی توربین، بازده بالا را در همه محدوده متغیر حفظ کند، بنحویکه تعادل اقتصادی[۲۴] بین قابلیت انعطاف و هزینه کل نیز رعایت شده باشد.

به منظور ارزیابی در راستای انتخاب طرح های گوناگون و رسیدن به بازده مناسب، باید تأثیرات اندازه توربین، بار و شرایط عملیاتی روی بازده توربین در نظر گرفته شود. به طور کلی این تاثیرات روابطی غیر خطی به وجود می آورند که فرمول بندی و مدل های پیچیده ای را ارائه می دهد. همچنین، از آنجا که واحدهای عملی در ارتباط با قیود و محدودیتهای عملیاتی هستند، به منظور دستیابی به راه حلهای عملی باید این محدودیتها را نیز در نظر گرفت. بدین منظور از برخی مدل های هدف گذاری به عنوان یک ابزار برای برقراری ارتباط بین سطوح بخار و بازده دستگاه ها استفاده می شود که تحت تاثیر بار انبساطی و شرایط عملیاتی دستگاه ها می باشد، به خصوص مدل های هدف گذاری کار محوری برای احتساب تغییر بازده توربین بخار با بار و اندازه توربین و شرایط عملیاتی، مورد نیاز است. مدلی که در نشان دادن این تأثیرات موفق نیست، در تشخیص توازن صحیح بین پتانسیل تولید همزمان کار و گرما که بوسیله طرح های گوناگون در بازده های مختلف ارائه می شود نیز توانا نخواهد بود و بنابراین سطوح بهینه ی بخار انتخاب نمی شود. یکی از معروفترین این مدلها، مدل THM می باشد که شرح مختصری بر آن در فصل قبل آورده شد.
۲-۲) انتخاب روش های مناسب برای پیش بینی خواص فیزیکی در شرایط عملیاتی مختلف
از آنجا که با یک مدل ریاضی سروکار داریم باید باید فرضیات و روش های مناسبی برای محاسبه و پیش بینی خواص فیزیکی برای بخار در دسترس باشد. هدف از این بخش، ارائه شرح مختصری در خصوص نحوه ی انتخاب و استفاده از روشها و فرضیات مناسب برای محاسبه خواص فیزیکی و ترمودینامیکی می باشد و در صورت عدم وجود هر یک از این خواص، در مورد تکنیک های بدست آوردن آنها بحث خواهد شد.
اولین بخش که بسیار ضروری نیز می باشد و تاثیر اساسی روی تمام مراحل بعدی دارد، بدون شک انتخاب مدلهایی مناسب برای محاسبه ی خواص فیزیکی است که یکی از مهم ترین تصمیمها در این کار می باشد.

برای