نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

نیروگاه های سیکل ترکیبی جامع خورشیدی با استفاده از برج های قدرت خورشیدی جهت بهینه سازی عملکرد نیروگاه – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

نیروگاه های سیکل ترکیبی جامع خورشیدی با استفاده از برج های قدرت خورشیدی جهت بهینه سازی عملکرد نیروگاه

 چکیده

گاز طبیعی و تابش ممتاز خورشیدی بعنوان منابع فراوان انرژی در استرالیا بشمار آمده و ترکیب آن یکی از گزینه های مطرح جهت پیاده سازی سیستم های قدرت متمرکز خورشیدی (CSP) در بازار الکتریسیته / برق متعارفا کم هزینه استرالیا بشمار می آید. مکانیزم اخیرا معرفی شده قیمت گذاری کربن در استرالیا احتمالا سبب تحرک سرمایه گذاری ها به سمت نیروگاه های توربین گازی سیکل ترکیبی (CCGT) می شود. این ویژگی سبب ساخت چنین نیروگاه هایی در مناطقی می شود که از تابش بالای خورشیدی بهره مند هستند. سیستم CSP هیبرید قابلیت فراهم آوردن ظرفیت با ارزش و بالای پیک، با هزینه ای کمتر در مقایسه با سیستم های CSP مستقل را دارد، چراکه نیروگاه های ترکیبی ادوات نیروگاهی، همانند توربین بخار و کندانسور، را به اشتراک می گذارند و چنین موردی سبب کاهش سرمایه گذاری خواهد شد.

این مقاله تشریح کننده فرآیند هیبریداسیون نوین CCGT و سیستم های برج خورشیدی جهت افزایش کارایی نیروگاه های سیکل ترکیبی جامع خورشیدی (ISCC) می باشد. نیروگاه های ISCC کنونی از سیستم های سهموی خطی با روغن داغ استفاده می نمایند. با افزایش کارایی نیروگاه، همراه با بکارگیری اشتراکی و متعاقب سیستم های ISCC برج خورشیدی، نظیر استفاده مشترک از برج بعنوان سیستم خروجی گازهای CCT، قابلیت ارتقای اقتصادی نیروگاه های ISCC وجود خواهد داشت. علاوه بر توصیف مفهوم فنی، این مقاله بطور مختصر ایده های مرتبط با نیروگاه های ISCC در استرالیا را بیان داشته و یک مطالعه موردی، در زمینه تبدیل تاسیسات توربین گاز سیکل باز (OCGT) در غرب استرالیا به نیروگاه ISCC برج خورشیدی، را ارائه می نماید.

کلمات کلیدی: سیکل ترکیبی جامع خورشیدی، ISCC، برج خورشیدی، گاز طبیعی، تولید مستقیم بخار.

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

۱- مقدمه

تلاش های کنونی در سطح جهان، شامل مکانیسم قیمت گذاری کربن در استرالیا، جهت کاهش انتشار گاز CO₂، سبب ترغیب مسئولین و اپراتورهای نیروگاه های صنعتی، جهت بررسی فرآیند سرمایه ای جدید تولید برق با احتساب پارامترهای چگالی اندک کربن و ویژگی پایدار شده است. با توجه آنکه اپراتورهای مربوطه نگاه خود را معطوف به ایجاد سیستم هایی می نمایند که از نظر اقتصادی به صرفه باشد کاربرد منابع قابل تجدید انرژی در ارزیابی های موجود یا نیروگاه های ترکیبی / هیبرید جدید به عنوان گزینه های قابل توجه و جذاب به نظر می رسد. فن آوری های انرژی قابل بازیافت نظیر CSP، قدم های رو به جلوی بزرگی را در خلال دهه اخیر برداشته اند و هزینه را بطور معناداری کاهش داده اند. با این وجود، به هنگامی که اقدام به تصمیم گیری های سرمایه ای بدون انگیزه های مالی برای سیستم های تولید برق تجدیدپذیر می شود، شرایط کنونی اقتصادی استرالیا بیشتر در جهت بهره گیری از نیروگاه های OCGT با سوخت گاز طبیعی و CCGT بجای تاسیسات و نیروگاه های CSP می باشد.

جهت کاهش سرمایه گذاری خاص در سیستم های CSP و زمینه سازی در باب افزایش قیمت گاز طبیعی در آینده نیروگاه های موجود OCGT و CCGT بیشتر به سمت بهره گیری از فن آوری های جدید ترغیب می شوند و در این راستا نیروگاه های جدیدی با مولفه های CSP طراحی خواهند شد. این امر سبب ایجاد مزیت های محیط زیستی، نظیر کاهش میزان کربن، و همچنین مزیت های اقتصادی، نظیر کاهش هزینه های نصب و راه اندازی تاسیسات CSP نیز می شود.

یکی از موارد قابل توجه آن است که با به روز رسانی برج های خورشیدی می توان به کاهش هزینه دست یافت و این امر اجازه می دهد تا قابلیت بهره گیری از ویژگی های مستقل CCGT و مولفه های CSP نیز بوجود آید. نیروگاه های ISCC کنونی از سیستم های سهموی خطی با روغن داغ جهت ارتقای خروجی بخار سیستم مولد بخار بازیافت حرارتی CCGT  (HRSG)  استفاده می نمایند. این مورد بعنوان یک مفهوم کاملا جا افتاده مطرح می باشد اما سبب محدود کردن مشارکت و بهره گیری از CSP شده و نیازمند آن است تا هر دوی این نیروگاه ها بصورت همزمان مشغول کار باشند.

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

۲- ویژگی پایداری ISCC برای استرالیا

نیروگاه های ISCC به نظر بعنوان یک گزینه بسیار مناسب برای استرالیا بشمار می آیند و علت آن وجود منابع وسیع گاز طبیعی و مناطقی است که از درخشش و تابش ممتاز معمولی و مستقیم نور خورشید (DNI) برخوردار می باشند و علاوه بر این با توجه به تاسیسات جدید LNG که در خلال سالیان آتی عرضه می شوند انتظار می رود که قیمت گاز طبیعی نیز افزایش یابد [۳]. بعلاوه، مولفه CSP از افزایش کنونی و مورد انتظار قیمت های الکترسیته نیز نفع خواهد برد.

از نقطه نظر اقتصادی مناطق ایده آل برای تاسیسات ISCC جزء مناطق دور دست و دور از جاده بشمار می آیند، نظیر مراکز معدنی در غرب استرالیا، با توجه به آنکه قیمت برق در آنجا بیشتر از مناطق ساحل شرقی می باشد، مناطقی که در آن وجود یک شبکه قدرتمند توزیع قابلیت ارائه مقدار زیادی از نیروی الکتریسیته، با هزینه پایین حاصل آمده از نیروگاه های سوخت ذغال قهوه ای و سیاه، را فراهم آورده است.

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

۳- مفاهیم کنونی ISCC

در حال حاضر، تعدادی از نیروگاه های ISCC در گوشه و کنار جهان، همانند ایالات متحده، مصر و موروکو، در حال کار می باشند. بزرگترین واحد عملیاتی ISCC یک نیروگاه نسل بعدی Martin 75 مگاوات در فلوریدای ایالات متحده می باشد (شکل ۲). کلیه نیروگاه های ISCC موجود از فن آوری سهموی خطی مناسبی همراه با روغن داغ استفاده می نمایند که قابلیت فراهم آوردن بخار اشباع شده یا نسبتا فوق داغ برای مولد بخار بازیافت حرارت (HRSG) را خواهند داشت. در HRSG بخار متعاقبا فوق داغ می گردد که برای این مورد از اگزوز توربین گاز داغ جهت برآورده سازی نیازهای توربین بخار استفاده می شود. این مفهوم بخوبی در چندین نیروگاه ISCC اثبات شده است، در عین حال کارکرد توام و هم زمان هر دوی نیروگاه های CCGT و CSP ضروری خواهد بود. بطور متعارف، سهم CSP کمتر از ۱۵% ظرفیت نیروگاهی می باشد.

بواسطه استفاده از فرآیند سهموی خطی با روغن داغ دماهای بخار CSP در این مفهوم محدود به کمتر از ۳۹۰ درجه سلسیوس می باشد، چرا که روغن داغ بالاتر از ۴۰۰ درجه سلسیوس به سرعت گرمی خود را از دست می دهد. جهت افزایش آنتالپی بخار، که برای نیروگاه میزبان فراهم آمده است، می بایست از سیال های دیگری نظیر آب – بخار یا نمک مذاب استفاده نمود.

۳-۱٫ ISCC برج خورشیدی

با توجه به آنکه شاهد راه اندازی نیروگاه های برج خورشیدی بیشتری در گوشه و کنار جهان، نظیر پروژه  Gemasolar Torresol’s، اسپانیا [۴] و پروژه Brightsource’s Ivanpah، ایالات متحده [۵] می باشیم، این فن آوری بطور فزاینده ای به بلوغ خود نزدیک می شود. بطور قابل توجه مقادیر بالاتر بخار (>540°C و >110bar) در مقایسه با ویژگی سهموی خطی، اجازه جامعیت و یکپارچگی ساده و در عین حال کارا تری را در سیکل بخار دمای بالای CCGT’s می دهد، شکل ۳٫ نیروگاه های CCGT و CSP قابلیت کار بصورت مستقل را دارند چرا که هر دوی مولدهای بخار قابلیت فراهم آوردن مقادیر مشابهی از بخار برای توربین بخار را خواهند داشت.

مزیت های نیروگاه های ISCC صرفه جویی در هزینه بواسطه استفاده اشتراکی ادوات نظیر توربین بخار، کندانسور و سیستم تغذیه آب می باشد. با این وجود نیروگاه های ISCC که از برج خورشیدی استفاده می نمایند از مزیت فوق العاده ای در زمینه به اشتراک گذاری زیرساخت های ساختمانی نیز بهره مند هستند. در این رابطه سیستم دودکش می بایست اصلاح شود تا آنکه قابلیت پشتیبانی و نصب گیرنده خوردشیدی وجود داشته باشد (شکل ۵). دودکش به بلندی بیش ۱۰۰ متر در مقیاس نیروگاه های CCGT معمولی می باشد و فراهم آورنده صرفه جویی مناسبی در هزینه ها خواهد بود که در تناسب با مطالعه سال ۲۰۱۱ Hinkley و همکاران است، علاوه بر این برج یک نیروگاه مستقل تقریبا نیازمند ۵% از کل سرمایه گذاری می باشد. البته بطور آشکار کل این ۵% قابل صرفه جویی نخواهد بود اما بخش معنی دار آن صرفه جویی خواهد شد.

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

۴- مطالعه موردی بندر هدلند، جنوب استرالیا

مثال ذیل اقدام به بررسی تبدیل نیروگاه برق OCGT با توان ۱۲۶ MWe (پیک) در بندر هدلند واقع در غرب استرالیا به نیروگاه ISCC – ۲۲۸ MWe (پیک) با استفاده از یک برج خورشیدی با قابلیت تولید مستقیم بخار نموده است. ذخیره سازی گرمایی مدنظر نمی باشد. بندر هدلند یک منطقه ممتاز برای تاسیسات CSP بشمار می آید که از توان DNI >2,400kWh/m² در سال بهره مند می باشد [۶] و قیمت منطقه ای گاز و برق بیشتر از حد میانگین کشوری است.

داده های فنی و اقتصادی که در این مطالعه موردی استفاده شده است از تحقیق مدلسازی و نگارش ۱/۰/۲۲ Thermoflex، شکل ۳، حاصل آمده است. داده های سرمایه گذاری حاصله از بسته نرم افزاری بکار گرفته شد تا قیمت های بالاتر نصب تاسیسات در نواحی دوردست تر مشخص شود.

۴-۱٫ نیروگاه برق کنونی

نیروگاه برق بندر هدلند یک نیروگاه برق گاز سوز سیکل باز ۱۲۶ مگاواتی می باشد که در منطقه Pilbara در غرب استرالیا واقع است. نیروگاه OCGT حاوی سه توربین گاز سوز ۴۲ مگاواتی (پیک) می باشد که به سیستم شمال غرب با استفاده از یک خط انتقال ۶۶ kV متصل است. این نیروگاه در سال ۱۹۹۶ ساخته شد.

۴-۲٫ فرآیند تبدیل ISCC  

کارایی ناخالص الکتریکی بخش CCGT 6/47% است که با توجه به حداکثر میانگین دمای ۵/۳۳ درجه سلسیوس و با داده های نیروگاهی از سال ۱۹۸۱ الی ۲۰۱۰، جدول ۱، اطلاعات آن حاصل شده است. این مورد را می توان بعنوان کاربرد بسیار کارای گاز طبیعی در مقایسه با بویلرهای بک آب در نیروگاه های CSP متعارف، کمتر از ۳۰%، مد نظر قرار داد. با این وجود، این آمار کمتر از کارایی دیگر تاسیسات CCGT در گوشه و کنار جهان می باشد که فراتر از ۶۰% است، با توجه به دمای محیط پیرامونی بالا در روز، ۲۶۰ روز در سال، بیش از ۳۰ درجه سلسیوس و ۱۳۵ روز در سال بیش از ۳۵ درجه سلسیوس، که بر روی عملکرد گاز و کندانسور خنک شده بوسیله تاثیرگذار است. دمای محیطی در  این  منطقه به  ۴۹  درجه  سلسیوس  می رسد که سبب کاهش حداکثر مجموع خروجی توان ISCC به ۷% در مقایسه با محیط ۵/۳۳ درجه سلسیوس می گردد. یکی از گزینه های نگه داشتن توان خروجی بالاتر برای چنین سیستمی استفاده از CSP دمای پایین تر جهت خنک نمودن هوای ورودی GT می باشد. با این حال، این مفهوم در مطالعه کنونی مدلسازی نمی شود. با در نظرگیری میانگین حداقلی دمای ۸/۱۹ درجه سلسیوس، مجموع ظرفیت نیروگاهی به ۲۲۸ MWe می رسد.

۴-۳٫ چیدمان و طرح نیروگاهی

با توجه به آنکه نیروگاه بندر هدلند بعنوان یک تاسیسات دور دست بشمار می آید تنها چندین محدودیت جهت مشخص نمودن مکان ادوات جدید وجود دارد، این محدودیت ها شامل موقعیت توربین گاز، محل اتصال / تعویض واگن ها و خطوط برق می باشد. این موضوع فرض شده است که هیچکدام از ساختارهای موجود را نمی توان جابجا نمود. بنابراین میدان هلیواستت و HRSG در ناحیه جنوب محل کنونی تاسیسات OCGT همانگونه که در شکل ۴ مشخص شده است قرار می گیرد.

لوله اگزوز یا خروجی گازها از هر سه توربین گاز می بایست بصورت ترکیبی در یک داکت واحد گاز قرار گرفته و برای HRSG حاصل شود. HRSG نیز می بایست در امتداد محور شمال به جنوب تاسیسات بندر هدلند قرار داشته باشد و همچنین برج خورشیدی و دودکش نیز باید در انتها الیه جنوب قرار گرفته باشد، همانند شکل ۴٫ میدان هلیواستت نیز می بایست در اطراف این برج در یک دایره ۱۳۰ درجه قرار گرفته و مساحتی به میزان ۸/۱ کیلومتر مربع را تحت پوشش قرار دهد. یک دایره کامل سبب کاهش قطر این میدان می شود اما بواسطه تاسیسات موجود مخصوصا خطوط انتقال نیرو به خارج توانایی بیش از این موجود نمی باشد.

۴-۴٫ قابلیت سوددهی اقتصادی

سرمایه گذاری نیازمند تبدیل نیروگاه ۱۲۶ MWe به تاسیسات OCGT می باشد که خرج آن در حدود ۳۶۰ میلیون دلار استرالیا است. هزینه های نصب برای این تاسیسات بیشتر از حد میانگین استرالیا می باشد که علت آن دوری منطقه و کمبود نیروی کار در غرب استرالیا است.

این محاسبه بر مبنای برآورد کمیسیون نیروگاهی در سال ۲۰۱۶ می باشد که عملیات سالانه بیش از هشت هزار ساعت با بار کامل و به مدت ۲۵ سال را پیش بینی نموده است. این مدل شامل قیمت انتشار کربن به میزان ۲۳ دلار استرالیا در هر تن و نرخ افزایش برق، گاز طبیعی و آب می باشد.

وابسته به قیمت های گاز و برق میزان بازپرداخت برای تاسیسات جدید در محدوده از ۸ الی ۲۳ سال تعیین می شود، جدول ۲٫ این مورد ۲۲% کمتر از میزان بازپرداخت برای نیروگاه ISCC سبز ۲۲۸ MWe می باشد، چرا که ادوات GT و زیرساخت های مربوط به سوخت قبلا در محل وجود داشته اند. به منظور تداوم زیست اقتصادی پروژه و مشخص نمودن میانگین هزینه برق در حدود بیش از ۱۲۰ میلیون دلار استرالیا بیش از ³AU$120/MWh مورد نیاز است. بواسطه سن GT موجود این مورد انتظار می رود که چنین خصیصه ای نیازمند جایگزینی و یا انجام فرآیندهای نوسازی در طی عملیات تاسیسات ISCC باشد.

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه

۵- نتیجه گیری

استفاده از فن آوری برج خورشیدی جهت ارتقای بهره گیری CSP در ارتباط با نیروگاه های ISCC امید بخش می باشد چرا که این سیستم قابلیت استفاده مستقیم از بخار با دما و فشار بالا در توربین بخار و همچنین عملیات مستقیم CCGT و مولفه های CSP را خواهد داشت. این مورد کاملا متمایز با نیروگاه های ISCC کنونی می باشد که در آن مولفه CSP صرفا فراهم آورنده بخار اشباع شده یا نسبتا فوق داغ برای HRSG در زمینه فرآیند های فوق گداز متعاقب می باشد.

بعلاوه، استفاده مشترک نه تنها ادوات نیروگاهی، نظیر توربین بخار و کندانسور، بلکه زیرساخت های نیروگاهی، نظیر دودکش جهت پشتیبانی از گیرنده خورشیدی، دارای پتانسیل کاهش ضروریات سرمایه ای برای فرآیند نصب ISCC نیز می باشد. تبدیل OCGT موجود به نیروگاه  ISCC بسیار نوید بخش است چرا که نتیجه آن میزان دوره بازپرداخت سرمایه ۲۲% کمتر جهت ایجاد یک نیروگاه سبز  ISCC می باشد.

مورد قابل توجه برای پیاده سازی چنین سیستم هایی عملیات توام با موفقیت نیروگاه های برج خورشیدی موجود و تاسیسات  برج  خورشیدی جدید که در مقیاس بزرگ در  نظر هستند  می باشند، مواردی که در حال حاضر در ایالت متحده در حال ساخت و نصب هستند.

نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی برج قدرت بهینه سازی نیروگاه