چکیده

امروزه، چرخههای تولید همزمان توان، گرما و سرما به دلیل بازدهی بیشتر، اثرات مخرب زیستمحیطی کمتر و صرفه اقتصادی مورد توجه قرار گرفتهاند. بنابراین بکارگیری و بهینهسازی چرخههـای تولیـد همزمـان همـواره مهمترین دغدغه طراحان و محققان بوده است. در همین راستا در مقاله حاضر، یک چرخه تولید همزمان سـه – گانه با قابلیت تولید ۳۰MW قدرت ،۴۰MW حرارت گرمایشی و ۲MW حرارت سرمایشی مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا به آنالیز اگزرژی و آنالیز اگزرژی-اقتصادی چرخه با استفاده از مفـاهیم متعـارف پرداختـه شده است . سپس به منظور افزایش درک از بازگشتناپذیریها و پتانسیل بهینهسازی اجزاءی چرخـه، بـه آنـالیز اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی اجزاء، با استفاده از مفاهیم جدید اگزرژی، نابودی درونزا و بـرونزا پرداختـه شـده است. نتایج تحلیل تکتک اجزاء چرخه با استفاده از مفاهیم جدید اگزرژی نشان میدهـد کـه سـهم زیـادی از نابودی اجزاء به دلیل بازگشت ناپذیریهای داخلی اجزا است. این مقدار برای توربین گاز و پـیشگـرم کـن هـوا بیشترین مقدار است و بالای %۸۰ از نابودی آنها به دلیل ناکارآمدیهای داخلی است. همچنین مشاهده مـی-شود که بهبود عملکرد اواپراتور باعث افزایش اتلافات اگزرژی در دیگر اجزاء چرخه میشود. بنابراین بهینهسازی یک جزء علاوه بر اینکه عملکرد خود جزء را بهبود میبخشد، بلکه بر بهینـهسـازی دیگـر اجـزای سیسـتم نیـز تأثیرگذار است. در توربین گاز و ژنراتور در حدود %۱۱ از هزینههای نابودی اگـزرژی، بـرون زا اسـت . همچنـین آنالیز کل چرخه نشان میدهد که از ۱۵۶/۹۷ دلار بر ساعت هزینههای سـرمایهای، ۲۵/۵۲ دلار بـر سـاعت بـه دلیل ناکارآمدیهای خارجی است، که معادل %۱۶ کل هزینههای سرمایهای چرخه تولید همزمان سهگانه می-باشد.

واژههای کلیدی: چرخه تولید همزمان سهگانه، اگزرژی، اگزرژی-اقتصادی، نابودی درونزا، نابودی برونزا

مقدمه

سیستمهای تولید همزمان با استفادهی کارآمدتر از سوخت، هم به عنوان یکی از بهترین روشهای صرفه جویی در انرژی شناخته شده و هم موجب رسیدن به بهبودهایی در محیط زیست شده اند. در سیستمهای تولید همزمان، برق و انرژی حرارتی مفید از یک منبع انرژی یکسان تولید می شود. مررو۱۰F و همکارانش [۱]، یک چرخه ترکیبی سهگانه (برایتون، رانکین، رانکین) با سیال عامل گاز، بخار و آمونیاک را بررسی کردند. نتایج نشان داده است که محفظه احتراق بالاترین میزان بازگشت ناپذیریها

۱ Marrero

آنالیز و بررسی نابودی اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی بر اساس مفاهیم درونزا و برونزا در چرخه تولید همزمان سهگانه (CCHP)

را داراست، که میزان این بازگشتناپذیریها با افزایش دمای ورودی توربین کاهش مییابد. برای کاهش بازگشتناپذیریهای بخار بازیاب حرارت، اختلاف دمای تنگش۲F1و اختلاف دمای نزدیک شدن۳F2 باید تا حد امکان کوچک باشند. همچنین بازده این چرخه را میتوان با استفاده از توربینهای گازی مدرن تا حدود %۶۰ افزایش داد. تمیر و بیلگ [۲] یک چرخه تولید همزمان سهگانه را از منظر اقتصادی و ترمودینامیکی مورد تحلیل قرار دادند. نتایج آنها نشان میدهد است فاده تنها از موتور احتراق داخلی برای تولید توان هزینه گزافی به همراه دارد. همچنین دستیابی به اتلاف اگزرژی پایینتر تنها با بکارگیری چرخه تبرید جذبی کارآمدتر ممکن نیست.

از دیدگاه مفاهیم جدید اگزرژی، نابودی اگزرژی و هزینه درونزا ناشی از بازگشتناپذیریهای داخلی سیستم میباشد در حالیکه بازگشتناپذیریهای سایر اجزاء سیستم ترمودینامیکی بر عملکرد یک جزء سیستم تاثیر میگذارند و به این اثر نابودی برونزا اطلاق میشود. کلی [ ۳] چرخههای مختلفی همچون چرخه توان ساده، چرخه تبرید تراکمی ساده و چرخه تولید همزمان دوگانه را با استفاده از مفاهیم اتلافات و هزینههای درونزا و برونزا مورد تحلیل قرار داد. او نشان داد که روش مهندسی در محاسبه نابودی اگزرژی درونزا و برونزا در سیستمهای تولید توان روشی به مراتب دقیقتر است. از سوی دیگر روش ترمودینامیکی در چرخههای تبرید تراکمی و جذبی میتوانند مورد استفاده قرار گیرند . رزمآرا و خوشبختی [۴] فرآیند احتراق را در چرخه تولید همزمان دوگانه بر اساس مفاهیم اتلافات اگزرژی درونزا و برونزا مورد بررسی قرار دادند. به علاوه آنها اثر استفاده از ترکیبات سوخت گاز طبیعی و سوخت دیزل با نسبتهای گوناگون بر اتلافات اگزرژی درونزا و برونزای اجزاء سیستم را بررسی کردند . صالحزاده و همکارانش [۵] تاثیر تغییر پارامترهای ترمودینامیکی را بر روی اتلافات اگزرژی درونزا، برونزا و مقدار سوخت مصرفی یک چرخه تولید همزمان سهگانه مورد بررسی قرار دادند. نتایج این کار نشان می دهد که افزایش نسبت فشار کمپرسور، دمای خروجی پیشگرمکن و هوای اضافی منجر به بهبود احتراق، کاهش اتلاف اگزرژی و کاهش سوخت مصرفی میشود. همچنین افزایش نرخ جریان جرمی بخار ژنراتور، در حالی که دمای خروجی چرخه ثابت نگه داشته شود و ظرفیت سرمایشی متغییر باشد، منجر به افزایش بازدههای قانون اول و دوم چرخه میشود. در همین راستا در مقاله حاضر، ابتدا به آنالیز اگزرژی و آنالیز اگزرژی-اقتصادی چرخه تولید همزمان سهگانه با استفاده از مفاهیم متعارف پرداخته شده است. سپس به منظور افزایش درک از بازگشتناپذیریها و پتانسیل بهینهسازی اجزاءی چرخه، به آنالیز اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی اجزاء، با استفاده از مفاهیم جدید اگزرژی، نابودی اگزرژی درونزا و برونزا، پرداخته شده است.

آنالیز اگزرژی

معادله موازنه اگزرژی برای هر جزء سیستم ترمودینامیکی به صورت زیر نوشته میشود:

(۱)
EF ,k  EP,k  ED,k
فرض میشود که مرزهای سیستم مورد استفاده در بالانس اگزرژی، در دمای مرجع، ، میباشد. بنـابراین هـیچ یـک از
اجزای سیستم اگزرژی خروجی به محیطزیست ندارند. اگزرژی خروجی در مقیاس کلی سیستم۰ در نظر گرفته میشـود. از ایـن
T
رو، توازن اگزرژی در کل سیستم به صورت زیر خواهد بود:
(۲)
EL,tot EF ,tot  EP,tot  ∑k ED,k

۲ Pinch point 3 Approach Point

EX D,k

EN D,k
آنالیز و بررسی نابودی اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی بر اساس مفاهیم درونزا و برونزا در چرخه تولید همزمان سهگانه (CCHP)

میتوان بازده اگزرژی برای جزء k ام را نیز به صورت زیر تعریف کرد :
(۳) ED,k EP,k

۱ −  εk 

EF ,k EF ,k
نسبت نابودی اگزرژی هر یک از اجزای چرخه، به صورت نرخ نابودی اگزرژی هر جـزء بـه نـابودی اگـزرژی کـل سیسـتم تعریف میشود و به عنوان ملاکی جهت تعیین نقاط ضعف سیستم ارائه میشود :[۶]
(۴) ED,K y ∗D 

ED,tot
تقسیم بندی نابودی اگزرژی بر اساس مفاهیم اگزرژی درونزا و برونزا

نابودی اگزرژی کل در جزء k ام را میتوان به دو بخش درونزا و برونزا تقسیم کرد :[۳]

(۵) EX EN
ED,kED,k ED,k
در این تعریف E ، بخش درونزای نابودی اگزرژی میباشد که تنها ناشی از بازگشتناپذیریهای جزء kام مـیباشـد در

حالی که اجزاء دیگر به صورت ایدهآل عمل میکنند و جزء مورد مطالعه با بازده معمول خود عمل میکند. E ، بخش برون-

زای نابودی اگزرژی در جزء k ام میباشد وبه دلیل رخ دادن بازگشتناپذیریها در اجزاء دیگر سیستم، به وجود میآید. وقتی که
E EN
نسبت نابودی اگزرژی درونزای جزء به کل نابودی اگزرژی جزء ( D,k )، کـاهش مـی یابـد بیـانگر بهبـود عملکـرد جـزء
ED,k
ترمودینامیکی به دلیل کاهش بازگشتناپذیرهای داخلی است.

روشهای تعیین نابودی اگزرژی درونزا و برونزا در یک جزء از سیستم

روش محاسبه و تفکیک نابودی اگزرژی سیستم به دو بخش نابودی اگزرژی درونزا و برونزا، بـر اسـاس تحلیـل اگـزرژی چرخه ترمودینامیکی استوار است . اتلاف اگزرژی درونزای یک جزء خاص با تحلیل چرخه مرکب آن جزء صورت میپذیرد .[۳] چرخه مرکب بیانگر همان چرخه تئوری است با این تفاوت که تنها و تنها یکی از اجزاء دارای بازگشتناپذیری اسـت و عملکـرد آن در شرایط واقعی در نظر گرفته میشـود در حالیکـه نـابودی اگـزرژی در سـایر اجـزاء سیسـتم بـا تغییـر شـرایط عملکـرد ترمودینامیکی به حداقل مقدار خود تقلیل مییابند. تعداد چرخههای مرکب مورد نیاز برای محاسبه و تحلیـل چرخـه برابـر بـا تعداد اجزاء ترمودینامیکی در کل چرخه میباشد. روش ترمودینامیکی در یک سیستم تبدیل انرژی، به دلیل عدم امکان تعریف چرخه تئوری، دارای کارایی نمیباشد. به عنوان مثال، در یک چرخه توان ساده به علت وجود فرآینـد احتـراق، اسـتفاده از ایـن روش امکانپذیر نمیباشد . از اینرو روش مهندسی یا روش گراف به عنـوان روشـی دیگـر بـرای جداسـازی نـابودی اگـزرژی در سیستمهای تبدیل انرژی توسعهیافته است . تئوری این روش به طور مفصل در مراجع ۳]،[۵ توضیح داده شده است. که از ایـن روش برای تعیین نابودی اگزرژی درونزا و برونزا در اجزاء چرخه توربین گازی و مولد بخار در این مقاله استفاده شده است.

چرخه تولید همزمان سهگانه (CCHP)

شکل ۱، چرخه تولید همزمان توان، گرمایش و سرمایش را که در مقاله حاضر مورد تحلیل قرار گرفته است نشان میدهد . هوا در شرایط محیط (فشار ۱ بار و دمای ۲۹۸ کلوین) وارد کمپرسورهوا میشود و بعد از تراکم، کمپرسـور را تـرک مـی کنـد

آنالیز و بررسی نابودی اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی بر اساس مفاهیم درونزا و برونزا در چرخه تولید همزمان سهگانه (CCHP)

نسبت فشار کمپرسور هوا ( ) برابر ۱۰ و بازده آیزونتروپیکی کمپرسور هوا و توربینگـازی ۸۶%فـرض مـی شـود . دمـای هوای خروجی از پیشگرمکن هوا ۸۵۰ کلوین در نظر گرفته شده است. سوخت تزریقی به محفظه احتراق که گاز طبیعی مـی-باشد، در فشار ۱۲ بار و دمای ۲۹۸ کلوین وارد محفظه احتراق میشود. دمای گازهـای خروجـی از محفظـه احتـرا ق در ۱۵۴۰ کلوین ثابت نگه داشته میشود. گازهای گرم پس از ترک محفظه احتراق، در تـوربینگـازی جهـت تولیـد تـوان بـه میـزان ۳۰ مگاوات منبسط میشوند . همچنین این گازها پس از عبور از پیشگرمکن هوا و تبادل حرارت با هوای خروجی از کمپرسور وارد مولد بخار با فشار دوگانه میشود، جایی که آب با فشار ۱۸ بار و در دمـای محـیط وارد مولـد بخـار شـده و از انـرژی گازهـای احتراقی جهت تولید بخار در فشار پایین۱۸۴F3 بار و فشار بالای۳۱/۵ ۵F4 بار استفاده میشود. بخار تولیدی در فشار پایین جهت بـه کار انداختن چرخه سرمایش جذبی لیتیم-برماید تکاثره با هدف تولید سرمایش به کار میرود، در حالی کـه بخـار تولیـدی در فشار بالا جهت تولید حرارت به کار میرود.