طراحی و شبیه‌سازی سیکل‌ نیروگاهی، Thermoflow_بخش ۱

فصل اول: مقدمه ای بر نرم‌افزار ترموفلو و ماژول‌های آن

 

مقدمه:

طراحی پایه، برآوردهای اقتصادی و امکان‌سنجی فنی و اقتصادی، یکی از مراحل مهم در هر پروژه صنعتی است. در پروژه‌های نیروگاهی به دلیل هزینه‌های ساخت واحد از یک سو و هزینه‌های بهره‌برداری از سوی دیگر، مطالعات پایه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در کنار آن، محدودیت‌ها و هزینه‌های زیست‌محیطی، در صورتی که پیش از شروع پروژه مورد ارزیابی قرار نگیرد، می‌تواند موجب بروز مشکلات و محدودیت‌هایی در بهره‌برداری از یک نیروگاه گردد. نمونه‌هایی از این موارد در خصوص محدودیت‌های برداشت آب در برخی از نیروگاه‌ها می‌باشد که می‌توانند از یک سو موجب کاهش تولید و از سوی دیگر موجب کاهش اجباری مصارف منطقه‌ای، مانند میزان آبیاری در مناطق کشاورزی شود. بدین‌ ترتیب، ضروری است پیش از احداث هر نیروگاه، مصارف اصلی و جانبی نیروگاه، از قبیل آب، سوخت و غیره، مورد بررسی قرار گیرد. علاوه بر آن پارامتر دیگری که می‌بایست در مطالعات اولیه، مورد بررسی قرار گیرد، تاثیرات اقلیم و آب و هوای محل نصب نیروگاه، بر توان و راندمان آن است.

ایران کشوری است که در آن تنوع بسیار بالایی از ارتفاعات، دماها و رطوبت نسبی مشاهده می‌شود. هر یک از این پارامترها، تاثیرات قابل توجهی بر عمکرد نیروگاه‌های سوخت فسیلی و خصوصا واحدهای گازی دارد. به نحوی که با جابجایی یک واحد گازی و یا سیکل ترکیبی در دو سایت، یکی در مجاورت دریای خزر و و دیگری در منطقه‌ای کوهستانی مرتفع مانند بام ایران، تا ۲۰% از توان واحد کاسته شده و با وجود هزینه‌های ثابت نیروگاهِ مرتبط با تجهیزات اصلی، مانند توربین‌های گازی و بخار، بخش قابل توجهی از توان واحد، غیر قابل استفاده خواهد بود. در عمل سعی می‌شود، بخشی از این کاهش در واحدهای سیکل ترکیبی، با استفاده از داکت‌برنر و احتراق اضافی در بویلر بازیاب جبران شود. از طرفی استفاده از داکت‌برنر، موجب کاهش راندمان نیروگاه سیکل ترکیبی و افزایش مصرف سوخت به ازای توان تولیدی می‌شود.

این گونه مسائل، ما را بر آن میدارد که به منظور استفاده بهینه از تجهیزات نصب شده و سوخت مورد استفاده، مطالعات اولیه‌ای، با دقت بالا، بر روی واحد‌های نیروگاهی انجام دهیم. این مطالعات، علاوه بر ایجاد زمینه‌های تصمیم‌گیری در خصوص احداث و یا عدم احداث یک نیروگاه، در مراحل انعقاد قراردادهای ساخت و تضمین مقادیر عملکردی نیروگاه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در کنار آن، در هر نیروگاه، توان و راندمان، با گذشت زمان، به دلیل بروز پدیده‌هایی مانند پیری در تجهیزات اصلی آن، از قبیل توربین گاز و بخار و همچنین عدم عملکرد صحیح تجهیزاتی مانند اجکتور، کندانسور و هیترها، کاهش می‌یابد. به منظور یافتن نقاط بحرانی نیروگاه از نظر عملکرد، شامل توان تولیدی و راندمان، نیاز به انجام شبیه‌سا‌زی‌هایی از وضعیت فعلی نیروگاه، مقایسه آن‌ها با شرایط طراحی و در نهایت تعیین میزان تاثیر اصلاح و برطرف ساختن هر یک از نقاط بحرانی است. افزایش توان خنک‌کاری یک سیستم ACC، با کمک تعویض فن‌های جریانی و یا ارتقا بخش‌هایی از یک توربین گاز فرسوده، نمونه‌هایی از این مطالعات است.

در نهایت، با تصویب هر پروژه نیاز است، پس از آنکه پارامترهای کلیدی نیروگاه مانند توان مورد نیاز، نوع سیکل و سیستم خنک‌کاری تعیین گردید، سیکل نیروگاه با در نظر گرفتن شرایط دسترسی به منابع مختلف تجهیزات و سازندگان آن‌ها، توسط کارشناسانی آشنا به تجهیزات و سازندگان مختلف، طراحی و شبیه‌سازی شود. این موارد تماما نیازمند نرم‌افزاری جامع است که بتوان با استفاده از آن، علاوه بر طراحی و شبیه‌سازی سیکل نیروگاه، هزینه‌های اجرای طرح، مدت‌ زمان بازگشت سرمایه و تاثیر مانورهای مختلف عملکرد نیروگاه را بررسی نمود. نرم‌افزار Thermoflow در حال حاضر، به عنوان معتبرترین نرم‌افزار طراحی و شبیه‌سازی نیروگاه در جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این نرم‌افزار برای اولین بار در سال ۱۹۸۷، توسط جمعی از مهندسان نیروگاه و دانش‌آموختگان دانشگاه MIT به سرپرستی دکتر ماهرالمصری، طراحی و تدوین گردید و در حال حاضر، توسط بسیاری از شرکت‌های معتبر جهانی مانند GE، Mitsubishi، SIEMENS، ALSTHOM و ANSALDO مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ایران نیز این نرم‌افزار توسط غالب شرکت‌های مشاور، پیمانکار، کارفرما و بهره‌بردار، مورد استفاده قرار می‌گیرد. کسب نتایج صحیح و قابل اعتماد در این نرم‌افزار، نیازمند دانش کافی در حیطه‌های مختلف نیروگاه و تسلط لازم بر ماژول‌های مختلف نرم‌افزار است.

هدف از این فصل، معرفی مشخصات، قابلیت‌ها و کاربردهای مختلف این نرم‌افزار است. در معرفی نرم‌افزار از آخرین نسخه‌ مورد استفاده در کشور استفاده شده است. این نسخه در سال ۲۰۱۳ به صورت رسمی منتشر شده‌است. در زمان انتشار این کتاب، آخرین نسخه رسمی ارائه‌شده، نسخه ۲۶ است که در حال حاضر، در کشور، در دسترس نمی‌باشد.

معرفی نرم‌افزار Thermoflow

به صورت کلی، نرم‌افزار ترموفلو به صورت ماژولار و در یک گروه نرم‌افزاری، مورد استفاده قرار می‌گیرد که هر ماژول، برای شبیه‌سازی نوع خاصی از نیروگاه‌ها، در شرایط طراحی و بهره‌برداری، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماژول‌های مختلف نرم‌افزار عبارتند از GT Pro، GT Master، Steam Pro، Steam Master، Re-Master، QT-Pro، GT Template، PDE، Thermoflow Macro، Unit Conversion و در نهایت ماژول Thermoflex، که هر یک بسته به نوع و آرایش نیروگاه، مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کنار این‌ها، بخش PECAE، به صورت جانبی در کنار غالب ماژول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد که با استفاده از آن، گزارش‌های تفصیلی از تجهیزات و هزینه‌های ساخت نیروگاه، ارائه می‌شود.

نرم‌افزار GT-Pro

این ماژول یکی از ماژول‌های پرکاربردترین نرم‌افزارهای خانواده ترموفلو است که در شبیه‌سازی نیروگاه‌های گازی، سیکل‌ترکیبی و واحدهای آب‌شیرین‌کن و IGCC بر پایه توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از GT Pro، می‌توان واحدهای بازیافت انرژی و تولید توان از محصولات احتراق خروجی از کارخانجاتی مانند فولاد و سیمان را نیز شبیه‌سازی نمود. این نرم‌افزار شامل انواع آرایش‌های ممکن برای سیکل‌های ترکیبی، بسیاری از سیستم‌های خنک‌کن رایج و کتابخانه‌ای از توربین‌های گازی، شامل بیش از ۵۰۰ مدل از سازندگان مختلف می‌باشد. در این ماژول، می‌توان شرایط طراحی سیکل‌های ترکیبی بر پایه غالب توربین‌های گازی مورد استفاده در کشور و سیستم‌‌های خنک‌کن یک‌بارگذر (مانند نیروگا‌ه‌های سیکل‌ترکیبی حاشیه خزر) و ACC (مانند بسیاری از واحدهای سیکل‌های ترکیبی جدید) را شبیه‌سازی نمود. محدودیت اصلی این‌ نرم‌افزار در پروژه‌های جاری کشور، عدم امکان شبیه‌سازی سیستم‌ خنک‌کاری معروف به هلر ایران، با برج خشک و مکش طبیعی است. بنابراین برای شبیه‌سازی کاملِ بسیاری از نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با برج هلر، به ناچار می‌بایست از ماژول ترموفلکس، استفاده نمود.

شکل ۱- شبیه‌سازی یک نیروگاه سیکل‌ترکیبی در نرم‌افزار GT Pro

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز