نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی (به انگلیسی: Combined cycle power plant) نیروگاهی است که شامل شماری توربین گاز و توربین بخار می‌شود. در این گونه نیروگاه، با استفاده از دیگ بخار بازیاب، از حرارت موجود در گازهای خروجی از توربین‌های گاز، برای تولید بخار آب مورد نیاز در توربین‌های بخار استفاده می‌شود.

یک نیروگاه سیکل‌ترکیبی در کنترا کوستا، کالیفرنیا

رایج ترین نوع سیکل ترکیبی در خشکی برای تولید برق است که نیروگاه توربین گازی سیکل ترکیبی ( CCGT ) نامیده می شود. از همین اصل برای نیروی محرکه دریایی نیز استفاده می شود، جایی که به آن نیروگاه ترکیبی گاز و بخار (COGAS) می گویند.

اگر توربین گاز به صورت سیکل ترکیبی نباشد، گازهای خروجی آن، که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دما داشته باشند که به طور مستقیم وارد هوای محیط شده و انرژی باقی‌مانده در آن‌ها هدر می‌رود؛ این در حالی است که در نیروگاه سیکل ترکیبی، از این انرژی استفاده می‌شود و دیگ بخار توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، انرژی هدر رفته در دودکش توربین گازی بازیافت شده و بازدهی سیکل افزایش می‌یابد.

پویانمایی از پیکره بندی یک نیروگاه سیکل ترکیبی دومحور

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی راه حل بسیار کارآمد، انعطاف‌پذیر، قابل اعتماد، مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست برای تولید برق است. نیروگاه سیکل ترکیبی در واقع ترکیبی از توربین بخار و توربین گازی می‌باشد به نحوی که ژنراتور توربین گازی، انرژی الکتریکی تولید می‌کند و در عین حال انرژی حرارتی تلف شده از توربین گاز (توسط محصولات احتراق)، برای تولید بخار مورد نیاز توربین بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد و به این طریق انرژی الکتریکی اضافی تولید می‌شود. با ترکیب کردن این دو سیکل بهره وری از نیروگاه افزایش پیدا می‌کند.

بازده الکتریکی از یک نیروگاه توربین گازی در چرخه ساده (سیکل ساده)، بدون بازیابی انرژی اتلاف شده، به‌طور معمول بین ۲۵ تا ۴۰ درصد است، در حالی که همان نیروگاه به صورت چرخه ترکیبی (سیکل ترکیبی) می تواند بازدهی الکتریکی بین ۵۰ الی ۶۰ درصد داشته باشد.

همان‌طور که گفته شد این نیروگاه‌ها از ترکیب توربین‌های بخار و گاز ساخته می‌شوند و بسته به نوع توربین‌ها، دیگ‌های بازیافت گرما و دستگاه‌های بازیابی، انواع متعددی دارند. با به‌کارگیری توربین‌های بخار در چرخه‌های ترکیبی می‌توان پایین بودن بازده را برطرف کرد و در نتیجه آن را برای تأمین بار پایه در یک شبکه برق به کار گرفت، در عین حال از مزایای دیگر آن نیز مانند راه اندازی سریع و انعطاف‌پذیری آن در محدودهٔ گسترده‌ای از بار بهره‌مند شد.

به صورت نظری و با فرض کارایی حدود ۳۳ درصد توربین گازی، انرژی قابل بازیابی در توربین بخار با بازیافت انرژی حرارتی از دودکش توربین‌های گازی) حدود نصف انرژی تولید شده توسط خود توربین گاز است؛ بنابراین، توان توربین بخار حدود نصف توربین گاز خواهد بود. در برخی از طراحی‌ها، دو توربین گاز، انرژی مورد نیاز برای یک توربین بخار را ایجاد می‌کنند و در نتیجه، توان تولیدی توربین‌های بخار در حدود متوسط توان تولیدی توربین‌های گاز می‌شود.

چرخه برایتون (توربین گازی) و رانکین (توربین بخار)

سیکل ترکیبی پایه

سیکل ترمودینامیکی سیکل ترکیبی پایه از دو سیکل نیروگاهی مختلف تشکیل شده است. یکی چرخه ژول یا برایتون که یک چرخه توربین گازی است و دیگری سیکل رانکین که یک چرخه توربین بخار است.  

در نمودار روبرو، چرخه 1-2-3-4-1 چرخه نیروگاه توربین گازی یا چرخه بالایی (چرخه برایتون) است که در این فرآیند انتقال گرما و کار را در منطقه با دمای بالا نشان می دهد.

چرخه abcdefa که چرخه بخار رانکین است در دمای پایین تری انجام می شود و به عنوان چرخه پایینی شناخته می شود. انتقال انرژی گرمایی از گاز خروجی با دمای بالا به آب و بخار در یک دیگ بازیابی حرارت صورت می‌گیرد. در طی فرآیند فشار ثابت 4-1 گازهای خروجی از توربین گاز گرما را دفع می کنند. آب تغذیه، بخار اشباع و فوق گرم (سوپر هیت)، مقداری از این گرما را در فرآیندهای ab، bc و cd جذب می کند.

نمودار تبادل انرژی از گازهای داغ با آب و بخار در دیگ بازیاب

تولید بخار با کمک دیگ (بویلر) بازیاب، گرمای مورد نیاز را از گازهای خروجی با دمای بالا از یک توربین گازی می گیرد.   بخار تولید شده به این ترتیب می تواند برای به حرکت درآوردن یک توربین بخار استفاده شود  دیگ بازیاب، دارای سه بخش اصلی شامل اکونومایزر، اواپراتور و سوپرهیتر است.

قبل از وضعیت موجود نیروگاه های سیکل ترکیبی و از دید تاریخی، سیکل چنگ (Cheng Cycle) در شکل ساده تری از سیکل ترکیبی وجود داشته ست که در آن توربین بخاری وجود ندارد و بخار تولیدی از بویلر بازیاب به طور مستقیم به توربین گازی وارد می شود.

این سیکل در دهه ۱۹۷۰ استفاده می شد که نام خود را از داه یو چنگ به عنوان ایده پرداز آن گرفته است.

اصول طراحی

راندمان یک موتور حرارتی، کسری از انرژی گرمایی ورودی است که می تواند به کار مفید تبدیل شود و با اختلاف دمایی بین گرمای ورودی به موتور و گرمای خروجی از موتور محدود می شود.

در یک نیروگاه حرارتی بخاری، آب سیال انجام کار است. بخار فشار بالا بویلرها، به اجزا محکم و ضخیم برای غلبه بر فشار بالا نیاز دارد. در بخش های با دماهای بالا، به آلیاژهای گران قیمت از نیکل یا کبالت نیاز است. این آلیاژها بالاترین دمای ممکن بخار را به ۶۵۵ درجه سانتیگراد محدود می کنند در حالی که در بخش های با دمای پایین، دمای آب خنک کننده ملاک تعیین کننده می باشد. با لحاظ این محدودیت ها، یک نیروگاه بخاری در بهترین حالت دارای راندمان بین ۳۵ الی ۴۲ درصد است.

توربین گازی سری H از شرکت جنرال الکتریک

چرخه توربین گازی در سیکل ساده آن، دارای یک کمپرسور، یک محفظه احتراق و یک توربین است. در توربین های گاز، مقدار فلزی که باید در برابر دما و فشار بالا مقاومت بالایی داشته باشد، به طور نسبی کم است و مقادیر کمتری از مواد گران قیمت مورد نیاز است. در این نوع چرخه، دمای گاز محفظه احتراق در ورودی به توربین (دمای آتش)، نسبتاً بالا و بین ۹۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد است. دمای خروجی گاز از دودکش توربین گازی نیز بالا و بین ۴۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد است. این دما به اندازه کافی زیاد است که گرمای مورد نیاز را برای چرخه دوم که از آب و بخار به عنوان سیال کار استفاده می کند (چرخه رانکین)، فراهم می کند.

نمایی جانبی از یک دیگ بازیاب حرارتی (Heat Recovery Steam Generator)

در نیروگاه سیکل ترکیبی، از گرمای خروجی اگزوز توربین گاز برای تولید بخار با عبور از یک مولد بخار بازیابی حرارت (HRSG) با دمای بخار بین ۴۲۰ تا ۵۸۰ درجه سانتی گراد استفاده می شود. کندانسور چرخه رانکین به طور معمول توسط آب دریاچه، رودخانه، دریا یا برج های خنک کننده تر و خشک، خنک می شود. این دما می تواند تا حداقل ۱۵ درجه سانتی گراد باشد.

می توان دیگ بازیاب (HRSG) را مشعل های کمکی یا داکت مشعل نیز طراحی کرد. از آن جایی که گاز خروجی از توربین گازی هنوز حاوی مقداری اکسیژن است، می توان با استفاده از سوخت دمای دود را بالاتر برد.

بدون مشعل کمکی، راندمان حرارتی نیروگاه سیکل ترکیبی بالاتر است اما با استفاده از مشعل کمکی تولید توان نیروگاه بیشتر و قابلیت بهره برداری آن انعطاف پذیرتر است .

سوزاندن سوخت در داکت بویلر بازیاب، باعث افزایش دمای دود می شود که باعث افزایش مقدار و دمای بخار ورودی به توربین بخار می شود که این کار تولید توان در چرخه بخار را بهبود می بخشد.

سوخت نیروگاه های سیکل ترکیبی

نیروگاه های سیکل ترکیبی به طور معمول با سوخت گاز طبیعی تغذیه می شوند، اگرچه می توان از نفت کوره، گاز سنتز شده یا سایر سوخت ها نیز استفاده کرد. سوخت پشتیبان نیز ممکن است نفت کوره یا سوخت زیستی باشد.

در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی خورشیدی یکپارچه، با کمک انرژی برداشت‌شده از تابش خورشیدی، هزینه های سوخت و اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهند.

در مواردی که توسعه خط لوله گاز غیر عملی است یا از نظر اقتصادی قابل توجیه نیست، نیازهای برق در مناطق دورافتاده را می توان با نیروگاه های سیکل ترکیبی در مقیاس کوچک با استفاده از سوخت های تجدید پذیر برآورده کرد. اینها به جای گاز طبیعی، زباله های کشاورزی و جنگلی را که اغلب به راحتی در مناطق روستایی در دسترس است، تبدیل به گاز می کنند و می سوزانند.

پیکره بندی نیروگاه سیکل ترکیبی

یک نمونه دیاگرام از یک نیروگاه سیکل ترکیبی تک محور

نیروگاه های سیکل ترکیبی می توانند پیکربندی های تک‌محور یا چند‌محور داشته باشند بدین معنی که توربین گازی و بخار روی یک محور یا چند محور جداگانه، به ژنراتور یا ژنراتورهای الکتریکی متصل باشند. همچنین چندین پیکربندی مختلف از سیستم های بخش بخار وجود دارد.

کارآمدترین چرخه های تولید برق، از دیگ بازیاب حرارتی بدون مشعل کمکی و با اجزای از پیش مهندسی شده و مدولار استفاده می کنند. این چرخه‌های بخار از نظر هزینه اولیه نیز کمترین هزینه را دارند.

یک سیستم تک‌محور معمولی دارای یک توربین گاز، یک توربین بخار، یک ژنراتور و یک دیگ بخار بازیاب حرارتی است. توربین گاز و توربین بخار هر دو به صورت پشت سر هم به یک ژنراتور الکتریکی در یک شفت متصل شده اند کارکرد این چیدمان ساده‌تر، کوچک‌تر و هزینه راه‌اندازی آن کمتر است.

اما سیستم های دارای چیدمان تک‌محور قابلیت انعطاف پذیری و اطمینان کمتری نسبت به سیستم های چند‌محور دارند. البته با صرف هزینه، راه‌هایی برای افزایش انعطاف‌پذیری در بهره برداری وجود دارد. اپراتور نیروگاه در بیشتر مواقع تمایل دارد که توربین گاز را در بار پایه قرار دهد.  در این موارد می توان محور توربین بخار را با یک سیستم کلاچ همگام (SSS) برای بهره برداری از توربین گازی در چرخه ساده جدا کرد. یکی گزینه کمتر رایج نیز سیستم گرمایش مستقل یا کمکی برای عملکرد مستقل توربین بخار است که در آن با استفاده از سوخت در بخش بخار و یک کلاچ در سمت محور توربین گازی، انعطاف پذیری برای بهره برداری از بخش بخار افزایش می یابد. یک سیستم چند‌محور به طور معمول فقط یک توربین بخار و حداکثر سه توربین گازی دارد که هر یک به ژنراتور الکتریکی جداگانه متصل است. داشتن تنها یک توربین بخار بزرگ و مبدل حرارتی، صرفه جویی بالایی دارد و می تواند هزینه عملیاتی و نگهداری کمتری در داشته باشد. یک توربین بخار بزرگتر نیز می تواند از فشارهای بالاتری برای چرخه بخار کارآمدتر استفاده کند. با این حال، یک سیستم چند‌محور حدود 5٪ در هزینه سرمایه گذاری گران تر است.

اندازه کلی نیروگاه و تعداد توربین های گازی، می تواند تعیین کند که کدام نوع نیروگاه از دید سرمایه گذاری و بهره برداری اقتصادی تر است. مجموعه ای از نیروگاه های سیکل ترکیبی تک‌محور می تواند هزینه بیشتری برای راه اندازی و نگهداری داشته باشد، زیرا تجهیزات بیشتری با وابستگی به یکدیگر در آن وجود دارد. با این حال، می‌تواند در هزینه‌های بهره صرفه‌جویی کند و به یک کسب‌ و کار اجازه دهد ظرفیت نیروگاه را در صورت نیاز اضافه کند.

برای نیروگاه های سیکل ترکیبی با توربین‌های گازی دارای دمای گاز خروجی نزدیک به ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، چرخه‌های بخار دارای بخار گرمایش مجدد و با فشار چندگانه اعمال می‌شوند. سیکل‌های بخار بدون گرمایش مجدد تک فشاری یا چند فشاری، برای سیستم‌های سیکل ترکیبی با توربین‌های گازی که دمای گازهای خروجی 540 درجه سانتی‌گراد یا کمتر دارند، استفاده می‌شوند.

انتخاب نوع چرخه بخار برای یک کاربرد خاص، با یک ارزیابی اقتصادی تعیین می‌شود که در آن هزینه نصب، هزینه و کیفیت سوخت، نحوه بهره برداری و هزینه‌های آن، ریسک‌های تجاری، عملیات و نگهداری در نظر گرفته می شود.

انواع نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی از نظر نوع توربین‌ها و بازیاب‌ها و وجود مشعل به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

1. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با مشعل
2. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بدون مشعل
3. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی یا گرمایش آب تغذیه
4. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چند گانه
5. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با سیکل بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار

در نوع اول از نیروگاه‌ها یک مشعل در داخل دیگ بخار قرار می‌دهند و بیشتر در نیروگاه‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که قرار باشد بخش بخار آن به‌طور دائم کار کند، که در این صورت نباید وابستگی به توربین گازی داشته باشد.

در نوع دوم از این نیروگاه‌ها از گازهای داغی که به عنوان محصولات احتراقی از توربین گازی خارج می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دود خروجی دارای حجم بالا و دمایی حدود ۵۰۰ درجه سانتی گراد است و به داخل بویلر برای تبدیل آب به بخار ارسال می‌شود تا از انرژی بخار برای به حرکت درآوردن ژنراتور مورد استفاده قرار بگیرد. کاربرد گونه‌های مختلف سیکل‌های ترکیبی متفاوت است. از نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل بیشتر برای تأمین بار پایه و میانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در نوع سوم از این نیروگاه‌ها در چرخه ترکیبی، گازهای خروجی یک چرخه ساده توربین گازی که شامل کمپرسور هوا (َAC)، اتاق احتراق(CC) و توربین گازی (GT) است، وارد دیگ بازیافت گرما (HRB) می‌شود و در آنجا برای تولید بخار فوق گرم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در چرخه‌های ترکیبی که قدرت پایینی دارند توان توربین بخار در حدود ۵۰ درصد کمتر از توربین گازی است.

در نوع چهارم این نیروگاه‌ها که بخار با فشار چندگانه تولید می‌شود، دمای گازهای خروجی دیگ بازیافت گرما کاهش می‌یابد و به این ترتیب بازده نیروگاه به‌طور کلی افزایش پیدا می‌کند. ساده‌ترین نوع این چرخه، چرخه با فشار دوگانه است، هرچند که چرخه با فشار سه‌گانه نیز مورد استفاده قرار گرفته‌است. به عنوان مثال در یک سیکل با فشار دوگانه، دیگ بازیافت گرما دارای دو مدار برای تولید بخار است. مدار اول مدار فشار بالاست که بخار تولید شده در آن از مجرای ورودی توربین وارد آن می‌شود، و مدار دوم مدار فشار پایین است که بخار تولید شده در آن از طبقات با فشار پایین‌تر وارد توربین می‌شود. در یک چرخه ترکیبی پیشنهادی با فشار سه‌گانه، بخار دیگری با فشاری بین فشارهای ورودی به دو توربین بخار تولید می‌شود. این بخار به اتاق احتراق توربین گازی تزریق می‌شود تا میزان گسیل اکسیدهای نیتروژن تا حد استاندارد تعیین شده، کاهش بیابد. در صورتی که از این روش استفاده شود، مقداری آب تلف خواهد شد که به‌طور پیوسته باید آن را جبران کرد.

بازدهی نیروگاه‌های دارای توربین گازی سیکل ترکیبی

با ترکیب سیکل‌های گازی و بخار به درجه حرارت‌های زیاد ورودی و درجه حرارت کم خروجی می‌توان دست یافت. به دلیل اینکه این سیکل‌ها توسط یک منبع سوختی تغذیه می‌شوند، بازدهی آنها با افزایش رو به رو می شود ؛ بنابراین یک نیروگاه سیکل ترکیبی دارای یک سیکل ترمودینامیک است که بین درجه حرارت احتراق بالای توربین گازی و درجه حرارت تلف شده از کندانسورهای سیکل بخار عمل می‌کند. در صورتی که نیروگاه سیکل ترکیبی فقط برق تولید کند، بازدهی آن تا ۶۰ درصد خواهد رسید و در صورتی که تولید برق همراه با مصرف حرارت باشد، بازدهی آن تا ۸۵ درصد افزایش خواهد یافت.

سوخت نیروگاه‌های سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی معمولاً از گاز طبیعی استفاده می‌کنند، اگرچه از سوخت‌های دیگری مانند گاز مصنوعی نیز در این نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. سوخت‌های مکمل که در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی مصرف می‌شوند عبارتند از گاز طبیعی، زغال‌سنگ و غیره. نیروگاه‌های سیکل ترکیبی خورشیدی هم‌اکنون در الجزیره و مراکش در دست ساخت می‌باشد.

نیروگاه چرخه ترکیبی خورشیدی

شمایل نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های چرخه ترکیبی، همانند نیروگاه‌های گازی، معمولاً از گاز طبیعی یا گازوئیل به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. در سال ۱۳۸۸ برای اولین بار در دنیا، نیروگاه خورشیدی یزد با استفاده از انرژی خورشیدی ساخته شد.