وبلاگ

در سال 1385 از مجموع قدرت نامی نیروگاه های کشور (4/46 هزار مگابایت) بیشترین سهم با حدود 5/23 هزار مگاوات (4/50 درصد) مربوط به نیروگاه های گازی و چرخه ترکیبی که حدود 65 درصد آن نیز نیروگاه های گازی با راندمان پایین تشکیل می دهند، می باشد. بر این اساس علی رغم افزایش قدرت عملی نیروگاه­ها از 2/37 درصد در سال 1382 به 9/43 در سال 1385، راندمان کاهش یافته است. در این راستا رشد مصرف سوخت در دوره مذکور با رشد متوسط سالیانه 7/8 درصد از 233 به 320 میلیون بشکه معدل نفت خام و در نتیجه و در نتیجه تلفات تبدیل نیروگاه­های حرارتی از 152 به 200 میلیون بشکه معادل نفت خام افزایش یافته است. در حالی که رشد تولید برق در همین دوره 95/7 درصد را نشان     می­دهد که نشانگر مصرف زیاد سوخت برای تولید برق یا به عبارت دیگر عدم بهینه بودن عملکرد  نیروگاه­های حرارتی می­باشد. بدین ترتیب از آمارهای فوق به راحتی می­توان فهمید که در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی در نیروگاه­های کشور اقدامی صورت نگرفته است. حال آنکه در سال­های اخیر بحران انرژی ناشی از کاهش منابع انرژی­های فسیلی و افزایش قیمت آن، یکی از مسائل مهم و روز دنیا گردیده است که باعث افزایش هزینه­ های انرژی و در نتیجه افزایش قیمت تمام شده محصولات صنایع مختلف شده است. همچنین آلودگی محیط زیست، قانون های گذاشته شده و جریمه های سنگین جهت کاهش تولید گازهای گلخانه ای لزوم کاهش مصرف انرژی را واضح تر نشان می دهد. به همین دلیل سیاست گذاران و صاحبان صنایع در د نیا به فکر چاره جویی افتادند که حاصل آن ابداع طرح های گوناگون برای روبرو شدن با این موضوع در طی سال های اخیر می باشد. یک روش مورد صرفه جویی بهینه سازی در مصرف انرژی است که برای دست یافتن به این هدف راهکارهای گوناگونی ارائه شده است. گام اول برای کاهش مصرف انرژی در سیستم های مختلف شناسایی و تحلیل مناسب سیستم های حرارتی و بررسی عملکرد تجهیزات می باشد. در این راستا روش های اگزرژی، پینچ، پینچ اگزرژی و. ترمواکونومیک روش های متداول برای تحلیل اجزاء سیستم های حرارتی می باشد که به کمک هر یک از آنها می توان عملکرد تجهیزات را بررسی نمود. حال آنکه از این روش ها به طور منفرد تا کنون استفاده شده است. بحث کاربردی که در زمینه باز یافت انرژی مطرح گردید، انتگراسیون فرایند (انرژی) بود. انتگراسیون فرایند در مفهوم گسترده خود جایی معنا پیدا می کرد که در یک دستگاه بیش از یک هدف فرایندی تامی شود و منظور، بهینه سازی مصرف انرژی در کل واحد مورد مطالعه می باشد. از ابزارهای مفیدی که در انتگراسیون انرژی ابداع گردیده است تکنولوژی پینچ می باشد. این تکنولوژی با فراهم آوردن این امکان برای مهندسان که گرما را از تمامی جریان های فرایند جمع کرده و در مکان های مورد نیاز استفاده کند، توانسته است اعمال انتگراسیون فرایند را ساده تر نمایند. اهداف تکنولوژی پینج رسیدن به حداکثر انرژی باز یافت شده در سیستم حرارتی فرایند و به حداقل رساندن مقدار انرژی گرمایشی و سرمایشی مصرفی مورد نیاز فرایند از منابع خارجی (یوتیلیتی ها) و به تبع آن کاهش هزینه انرژِی مصرفی می باشد. محدودیت  اصلی تکنولوژی پینچ این است که تنها به تحلیل حرارتی سیستم ها پرداخته و قادر به بررسی توان با کار محوری سیستم ها نمی باشد. بنابراین در سیستم های مانند سیکل های خنک کاری و کراجنیک که علاوه بر انرژی حرارتی با توان یا کار محوری نیز سرو کار دارند می بایست تکنولوژی پینچ را توسعه داد. از آنجا که آنالیز اگزرژی روش موثری برای بررسی توان و کار محوری می باشد می توان با ترکیب مناسب آنالیز اگزرژی و تکنولوژی پینچ به راه حل عملی و مفیدی جهت برری همزمان انرژی حرارتی و کار محوری سیستم­ها دست یافت. این تکنیک آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی یا به اختصار CPEA نامیده می شود. یکی از روش های مفهومی که به وسیله محققان و دانشمندان برای تحلیل و بهینه سازی سیستم­های انرژی به کار می رود به نام تمواکونومیک شناخته می­ شود.
ترمواکونومیک شاخه ای از ترمو دینامیک کاربردی است که با روش های بهینه سازی و تحلیل فرایند بر مبانی قانون دوم و مفهوم اگزرژی سر و کار دارد. تحلیل تمواکونومیک به تنهایی شامل تکنیک های بهینه سازی نمی گردد بلکه این روش تابع هدف را تعیین می نماید و سپس بهینه سازی واقعی عملکرد فرایند (دستیابی به خروجی مشخص شده با مناسب ترین ترکیب پارامترهای تولید) به وسیله روش های مفهومی تکرار شونده، ریاضیاتی و با تکنیک­های هوش مصنوعی انجام می­ شود.
با توجه به آنچه در بالا اشاره شد تحلیل و بهینه سازی نیروگاه سیکل ترکیبی مورد توجه بسیار است بنابراین در این پایان نامه ابتدا با اشاره به روند تکامل نیروگاه­ها، به تشریح کامل روش­های تحلیل    سیستم­های حرارتی گفته شده در بالا پرداخته و سپس نیروگاه سیکل ترکیبی منتظرقائم به عنوان نیروگاه مورد مطالعه با مطلب که یک نرم افزار تخصصی در زمینه طراحی، شبیه سازی و بهینه سازی است به طور کامل شبیه سازی می­گردد که نتایج شبیه سازی برای تک تک اجزای نیروگاه در جداول مشخص مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه با روش بهینه سازی تمواکونومیک و معرفی تابع هدف و با بهره گرفتن از کد نوشته شده در محیط نرم افزار مطلب اجزای مورد نظر نیروگاه، مورد تحلیل قرار گرفته است و در پایان با اعمال روش­های بهبود عملکرد نیروگاه نتایج به دست آمده مورد بحث و بررسی قرار می­گیرد.
 
فصل اول
کلیات
 
اهداف تحقیق

• انتخاب بهینه پارامترهای عملیات سیکل ترکیبی منتظور همان متغیرهای تصمیم گیری است که در بهینه کردن تابع هدف مورد تحلیل و ارزیابی قرار می­گیرد.

• مقایسه نتایج بدست آمده از روش ترمواکونومیک یا تحلیل به کمک نرم افزار مطلب.

• ایجاد تغییرات در طراحی سیکل و پارامترهای ترمودینامیکی آن که می تواند سبب افزایش راندمان سیکل شود.

• به کمک روش ترمو اکونومیک، می توان تمام اجزاء مورد نظر سیکل را مورد تحلیل و ارزیابی قرار داد. علاوه بر این محاسبه قیمت تمام شده برای هر جریان ارائه می­گردد که می­توان از آن در محاسبات اقتصادی مختلفی استفاده نمود.

پیشینه تحقیق

لیم هاف و دُل[1] از آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی برای تحلیل سیستم­های خنک کاری دما پایین استفاده کردند، آنها با بهره گرفتن از این روش، کار محوری مورد نیاز را 83/3 مگاوات کاهش دادند.
زِنگ و دُل[2] آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی را در مورد سیکل ترکیبی توربین بخار و توربین گازی سیکل بسته اعمال کردند و به آرایش بازده سیکل در حدود 82/0 درصد دست پیدا کردند.
فاورات و استاین[3] تکنولوژی را با بهره گرفتن از فاکتورهای اگزرژی توسعه دادند و از آن در تحلیل سیستم­های تولید همزمان و پمپ های حرارتی استفاده نمودند.
فنگ و زو[4] آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی را در مورد یک سیکل ترکیبی توربین بخار و توربین گازی اعمال کردند. در این سیکل دمای هوای ورودی به توربین گاز در کوره افزایش می یابد و محصولات احتراق از توربین گاز عبور نمی­ کنند. افزایش بازده سیکل ترکیبی مورد مطالعه در حدود 74/1 درصد محاسبه گردیده است.
مّنینن و زو[5] بررسی­های اقتصادی را همراه با آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی در مورد یک سیکل ترکیبی تولید توان اعمال کردند. نتیجه بهینه سازی آنها افزایش بازده سیکل مورد مطالعه از 02/45 درصد تا 85/49 درصد با در نظر گرفتن ملاحظات اقتصادی بود.
سورین و پَریس[6] از آنالیز ترکیبی پینچ و اگزرژی جهت مطالعه و شناسایی پتانسیل­های بهینه سازی در یک واحد تولید هیدروژن استفاده کردند و توانستند بازده واحد را از 7/55 درصد تا 6/56 درصد افزایش دهند. آنها نشان دادند که آنالیز اگزرژی با کمک پینچ می تواند تغییرات مطلوب را با کم­ترین تغییر فرایند، کم ترین اصلاح تجهیزات و با حجم محاسبات کمتر به دست دهد.
آنانتارامن[7] همکاران را با بهره گرفتن از ترکیب آنالیز اگزرژِ و پینچ یک واحد متانول را بررسی و فرصت­های بهینه سازی آن را شناسایی کردند.
تساتسارونیس و مُروسکا[8] روش جدید برای آنالیز اگزرژی سیستم­های سرما ساز جذبی ارائه دادند.
گاندرسن[9] و همکاران تحلیل توسعه یافته پینچ ـ اگزرژی با در نظر گرفتن اگزرژی فشاری برای طراحی بهینه سیستم­های تبرید پیشنهاد دادند.
ترمواکونومیک یک تکنیک نسبتا جدید است که برای اولین بار در اروپا در دهه 1960 معرفی گردید و ولف گانگ فراستچر[10] از آلمان، جان اسزارگت[11] از لهستان و والری[12] از اتحاد جماهیر شوروی سابق مقاله­ هایی در زمینه “ارزش اقتصادی مفهوم اگزرژی” منتشر کردند و سپس در ایالات متحده اوانس[13]، یحیی السعید[14]، روبرت ماون تریباس[15]  مجموعه ­ای از مقالات در زمینه روش ریاضیاتی بهینه سازی هزینه بر مبنای اگزرژی (که آن را availability می خواندند) منتشر نمودند.
عبارت ترمواکونومیک برای اولین بار در یادداشت­های درسی Tribus در دانشگاه MPP در سال 1961 و همچنین در پایان نامه دکترای اوانس بکار برده شد. مفهوم این عبارت در حوزه آکادمیک به صورت کاملا عمقی توسعه یافت ولی مهندسین فرایند، مدیران صنایع و برنامه ریزان انرژی را تحت تاثیر قرار نداد تا اینکه حدود 20 سال بعد به واسطه تلاش­ های یحیی السعید، میکائیل[16]، تیچارد گاجیولی[17]، تادس کوتاس[18]  در اوایل دهه 1980 و آنتونی والرو[19] و  جورج تساتسارونیس[20] در اواخر دهه 1980 این مفهوم به صورت گسترده­ای در حوزه های کاربردی و صنایع مورد توجه قرار گرفت.

در مجموعه ­ای از مقالات که در طی سال­های 1986 تا 1989 به چاپ رسید، والرو[21] یک تئوری تخصیص هزینه کلی و کاملا فرمول بندی شده برای محاسبه هزینه اگزرژنیک یک محصول با توجه به اگزرژی به فرایند و ساختار فرایند تولید ارائه نمود. در دهه 1990 ترمواکونومیک برای شرایط خارج از طراحی و مسائل وابسته به زمان نیز گسترش یافت که عمدتا حاصل تلاش کریستوس فرانگابُلُس[22] و میکائیل وُن[23] بود. در مورد ترمو دینامیک یک مباحثه کیفی بسیار جالب نیز وجود دارد که به وسیله تحقیقات آنتونیو والرو[24]، گُران وال[25]، جان شارگت[26] و انریکو سیبا[27] ارائه شده است.
مقالات در برگیرنده عنوان ترمو اکونومیک در دو بخش آنالیز ترمواکونومیکی سیستم­ها و بهینه سازی ترمواکونومیکی سیستم­های انرژی بیان می شوند. ایده نخستین استفاده از روش­های ترمواکونومیک از آنجا سرچشمه می­گیرد که چگونه بالانسی برای هزینه­ های زیر ساختارهای یک سیستم انرژی بزرگ همانند پالایشگاه نیروگاه و یا سیستم­های تولید همزمان تعیین کنیم. بدین معنی که اگر زیرساختارها را در تبادل اقتصادی با هم ببینیم (که در واقع از اینجا ناشی می شود که این زیرساختارها با هم تبادل انرژی و یا جرم دارند) هزینه­ های خرید و فروش این جریان­ها چگونه باید باشد. این بحثی جدای از بهینه­سازی زیر ساختارها و یا ساختار کلی است.
هرچند نخستین کارهای در این زمینه به دهه 30 بر می گردد و به صورت ناپیوسته تا دهه 70 ادامه دارد ولی می توان نخستین کارهای ریشه دار در این زمینه را به السعید و اوانس نسبت داد که هزینه­های  جریان­ها را بر پایه اگزرژی جریان­ها ارائه کرده و با تجزیه سیستم به زیر ساختارها سعی در یافتن حالت بهینه سیستم کلی کردند. آنها در مقاله­ای با پیاده سازی روش تجزیه سازی دریافتند که برای بهینه بودن ساختار کلی الزامی نیست که تک تک زیر ساختارها بهینه باشد.
السعید و گاجیولی در دو مقاله پیوسته در سال 1989 با جمع آوری روش­های بیان شده برای آنالیز ترمواکونومیکی آنها در دو گروه روش های جبری و روش­های حساب دیفرانسیلی تقسیم بندی کردند.
روش­های جبری مبتنی بر هزینه میانگین برای اگزرژی جریان­ها و روش­های دیفرانسیلی مبتنی بر کمترین هزینه برای جریان­های اگزرژی می­باشند.
لازم به توضیح است که جدا از نوع روش، ارزش گذاری زبان­ها نه بر اساس انرژی، بلکه بر اساس اگزرژی آنها صورت می­گیرد. در واقع بالانس هزینه­ها جدا از نوع بیان معادلات (جبری با دیفرانسیلی) بر پایه اگزرژی نوشته می شود زیرا که دیدگاه درست از پتانسیل یک جریان، اگزرژی آن است.
در سال 1990 چهار گروه از محققان به صورت بنیادین تحقیقات خود را بر روی این قضیه آغاز نمودند و برای مقایسه روش­های بهینه سازی خود یک مسئله را به عنوان مسئله محک پیشنهاد کردند، این مسئله طراحی بهینه یک سیستم تولید همزمان توان و یوتیلیتی بخار است که به مسئله CGAM معروف می باشد. سرپرستان این گروه ها عبارتند از: کریستن فرانگُپلُس از دانشگاه صنعتی آتن، جرج تساتسارونیس از دانشگاه لوزان، EPFL سوئیس که در در واقع نام این مسئله نیز برگرفته از حروف اول اساسی این اشخاص می باشد.
گروه­های مذکور دو سال بعد در کنفرانس ECCOS که در زاراگوزای اسپانیا برگزار شد نتایج خود را برای این مسئله محک ارائه کردند.
سپس در مقاله­ای مشترک که در 18 ماه مِی سال 1993 منتشر کردند با تایید روش­های یکدیگر ساختار بهینه را برای این سیستم ارائه کردند.
نکته جالب توجه اینکه همگی نتایج دقیقا یکسانی را به دست آوردند بدون اندکی انحراف از یکدیگر و جالبتر اینکه نتایج به دست آمده از دید صنعتی اصلا منطقی به نظر نمی­رسند.
مسئله CGAm از آن سال تاکنون بارها به روش­های مختلف مورد تحلیل و بهینه سازی قرار گرفته است از آن جمله تساتسارونیس در سال 2002 در یک مقاله خود از مفاهیمی همچون تخریب اگزرژی قابل اجتناب و اجتناب ناپذیر و هزینه سرمایه گذاری قابل اجتناب و اجتناب ناپذیر برای تعریف فاکتورهای ترمواکنمیک جدید استفاده نمود و ادعا کرد که جهت تحلیل ترمواکونومیکی واقعی باید از این فاکتورهای جدید بهره جست و سپس به عنوان نمونه آن را برای سیستم CGAM به کار برد.
توضیح اینکه تساتسارونیس استاد انستیتو مهندسی انرژی دانشگاه صنعتی برلین است و از جمله پژوهشگران برجسته در این زمینه می­باشد که مقالات زیادی درباره بهینه سازی ترمواکونومیکی انواع سیستم­های تولید توان و یوتیلیتی منتشر کرده و کتانی نیز با عنوان طراحی سیستم­های حرارتی و بهینه سازی به همراه آدرین بجان[28] و میکائیل موران[29] تالیف نموده است. وی از روش ارزش­گذاری جبری استفاده می­ کند و روش بهینه سازی ترمواکونومیکی تکراری را برای بهینه سازی سیستم­های انرژی ارائه کرده است.
نتایجی که برای سیکل CGAM به دست آمده نیز با این روش به دست آورده و در واقع با حل این مسئله محک سعی در اعتبار بخشی روش خود داشته است. وی در مقاله مفصلی که در سال 1994 ارائه کرد، روش خود را همراه با جزئیات تشریح نمود که بیانی دوباره از آن در کتار فوق الذکر وجود دارد و همچنین در مقاله دیگر در سال 1997 به همراه موران منتشر کرد با کمک مفاهیم اگزرژی و روش مفهومی تکرار شونده به کمیته سازی هزینه در همان سیستم CGAM پرداخت و البته در قسمت نتایج بیان می­دارد که این روش با تکرارهای بیشتر به جواب بهینه همگرا خواهد شد و آن را به عهده خواننده واگذار می­ کند، در حالی که رسیدن به جواب با روش بهینه سازی ترمواکونومیکی تکراری به این سادگی­ها امکان پذیر    نمی ­باشد. به علاوه قوانین روش بهینه سازی ترمواکونومیکی برای رسیدن به نقطه بهینه ترمواکونومیکی قوانین کاملا کیفی بوده و با روش­های معمول قابلیت تبدیل شدن به برنامه کامپیوتری را ندارد که یک ناتوانی برای الگوریتم است. با توجه به مطالب گرفته شده، در سال 2002 در مقاله­ای با عنوان “بهینه سیکل­های تولید توان با بهره گرفتن از روش ترمواکونومیکی تکراری همراه با سیستم استنتاج فازی” سعی کرد که قوانین کیفی این روش را در قالب یک موتور استنتاج فازی برای بهینه سازی سیستم مذکور به کار بندد. گر چه با به کار بستن منطق فازی، دانش متخصص در قالب یک موتور استنتاج فازی قابلیت تبدیل شدن به یک برنامه کامپیوتری را دارد ولی اگوریتم در یافتن ساختار بهینه همچنان ناتوان است. بنابراین با توجه به نکاتی که بیان شد روش تساتسارونیس ابزار کاملی برای بهینه سازی سیستم­های انرژی نیست.
ناگفته نماند که این روش در سال 2004 توسط چند پژوهشگر برزیلی بهبود داده شده است که در کار این گروه روش ترمواکونومیکی تکراری با مدل سازی سیستم توسط یک نرم افزار شبیه سازی سیکل­های تولید توان به نام IPES-Pro تلفیق شده و بدین ترتیب زمان انجام محاسبات کوتاه تر گردیده است.
همچنین این گروه برزیلی مقاله دیگری را نیز در سال 2005 در همین زمینه منتشر کرده اند که در آن از ترکیب یک روش بهینه سازی ریاضی با همان نرم افزار شبیه سازی سیکل­های تولید توان یعنی IPSE-Pro استفاده شده است. روش مورد استفاده در این مقاله Fiexible Polyhedron Method نام دارد که جز روش­های بهینه سازی غیر خطی محسوب می گردد و اولین بار توسط نلدر[30] و مِعاد[31]  ارائه گردید. هر چند که در کار تحقیقاتی این گروه در بخش شبیه سازی از یک نرم افزار قوی جهت مدل سازی سیکل­های نیروگاه واقعی استفاده شده ولی در بخش بهینه سازی، روش ریاضیاتی به کار گرفته شده تضمین کنند دست یابی به نقطه بهینه کلی نبوده و ممکن است در نقاط بهینه موضعی گیر بیافتد. به علاوه اینکه پیاده سازی این روش برای سیستم­های پیچیده و دارای چندین تابع هدف، بسیار مشکل خواهد بود.
در تمامی تحقیقاتی که تا به حال انجام شد مسئله بهینه سازی سیستم CGAM فقط دارای یک تابع هدف یعنی کمیته سازی هزینه­ های تولید برق و بخار بوده است تا اینکه در سال 2002 دو محقق ایتالیایی با     نام­های لاسارِتو[32] و تُفُلو[33] دو تابع هدف مجزا برای کمیته سازی هزینه تولید و افزایش راندمان اگزرژنیک کل سیستم تعارف نمودند و برای این بهینه سازی جنید هدفه از الگوریتم­های تکاملی استفاده کردند. سپس همین افراد کار خود را توسعه داده و در سال 2004 مقاله دیگری ارائه کردند که در آن به صورت همزمان کمیته سازی هزینه­ های تولید پیشینه سازی و راندمان اگزرژنیک کل سیستم و کمیته سازی آلودگی­های زیست محیطی به عنوان توابع هدف مشخص گردید و برای بهینه سازی نیز از الگوریتم­های تکاملی بهره جستند. استفاده از این سه تابع هدف باعث گردید که نتایج حاصل از بهینه سازی توسط این گروه در مقایسه با تحقیقات قبلی، واقعی­تر و عملی­تر باشد. همچنین با بکارگیری الگوریتم­های تکاملی که شاخه­ای از تکنیک­های هوش مصنوعی محسوب می­گردد این گروه توانست بر ناتوانی­ های روش­های بهینه سازی مفهومی و ریاضیاتی غلبه نماید. اما از آنجایی که این افراد بهینه سازی سیستم CGAM را به صورت چند هدفه انجام داده­اند. عملا دیگر نتایج این تحقیق را نمی­توان با نتایج به دست آمده از تحقیقات پیشین که همگی تک هدفه بوده ­اند مقایسه کرد. همچنین فرضیات ساده کننده ­ای که در مدل سازی اقتصادی در نظر گرفته­اند. عملا ارتباط بین پارامترهای اقتصادی را با پارامترهای ترمودینامیکی مسئله قطع نموده و مسئله را تا حدی از واقعیت دور کرده است.
در سال 2007 ماژور[34] روش بهینه سازی ترمواکونومیکی سیستم­های حرارتی به کمک منطق فازی را ارائه نمود. در همین سال کاچ[35] و همکاران سیکل ترکیبی واقعی را به وسیله شبیه ساز و با بهره گرفتن از الگورتیم ژنتیک بهینه نمودند.
به طور کلی می­توان گفت روش­های بهینه سازی مفهومی و ریاضیاتی از کارایی لازم برای بهینه سازی سیستم­های انرژی پیچیده و واقعی برخوردار نمی­باشند. همچنین روش­های ابتکاری نظیر Direct search نیز عملا برای بهینه سازی سیستم­های پیچیده و چند هدفه کارکردی نخواهند داشت. زیرا این روش­ها کل فضای متغیرهای تصمیم را نقطه به نقطه جستجو می کنند و در سیستم­های پیچیده که تعداد متغیرهای تصمیم زیاد می باشد، این عمل احتیاج به صرف زمان نامتناهی و یا استفاده از ابرکامپیوترهایی دارد که بشریت هنوز به چنین تکنولوژی دست نیافته است.
 
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)