حداکثر راندمان سیکل‌های توربین گاز در حدود ۴۰٪ می‌باشد و سیکل‌های بخار نیز راندمان‌های چندان بالاتری از نوع گازی ندارند. بکار بردن روش‌های جدید برای بالا بردن راندمان منجر به استفاده از نیروگاه سیکل‌های ترکیبی شد، که در حال حاضر راندمانی در محدوده ۵۵ تا ۵/۶۱٪ دارند.

در اوایل قرن بیستم میلادی، توربین‌های بخار ساخته شد. عیب اصلی نیروگاه‌های بخار این است که از بخار به عنوان سیال محرک در دما و فشار بالا استفاده می‌شود و تولید این بخار به تاسیسات گران و حجیم نیاز دارد. توربین‌های گازی ابتدا در صنایع هوایی مورد استفاده قرار گرفت که دارای نسبت فشار و دمای ورودی بالاتری نسبت به توربین‌های گازی تولیدکننده توان می‌باشند. اما پیشرفته‌ترین توربین‌های هوایی دارای راندمانی نزدیک به ۵۰٪ هستند که از راندمان سیکل‌های ترکیبی نه چندان پیشرفته کمتر است. فکر چرخه ترکیبی به منظور بهبود بازده نیروگاه از طریق بهره‌گیری از انرژی گازهای خروجی توربین گاز مطرح شد که این کار را به وسیله بازیافت گرما انجام می‌دهند. بازیافت گرما انرژی هدررفته از دودکش را از ۷۰ به ۶۰ درصد انرژی داده شده می‌رساند.

در سال ۱۹۵۰ اولین نیروگاه سیکل ترکیبی ساخته شد و تا انتهای سال ۱۹۷۵، در حدود ۱۰۰ واحد نیروگاه ترکیبی با ظرفیت کل ۱۵۰۰۰۰ مگاوات در سراسر جهان ساخته شد. از جمله این نیروگاه‌ها می‌توان به 1995 ABB و Mistubishi Heavy Ind. 1995 و GE9001H  اشاره کرد.

در نیروگاه سیکل ترکیبی دو نوع توربین مورد استفاده قرار میگیرد که عبارتند از توربین گاز و توربین بخار.

در توربین گاز هوا از محیط وارد کمپرسور توربین شده و هوای فشرده شده

در محفظه احتراق برای کمک بـه سـوختن گاز (یا سوخت مایع) وارد می شود.

گاز داغ حاصل از احتراق به توربین هدایت گردیده

و در آنجا منبسط شده و انرژی گرمایی آن به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.

انرژی مکانیکی تولید شده در  توربین، ژنراتور را به گردش درآورده و انرژی الکتریکی تولید میشود.

توربین گازی به طور کلی از سه بخش اساسی کمپرسور، توربین، محفظه احتراق تشکیل میگردد.

در توربین بخار، بخار با فشار و دمای بالا وارد توربین شده و منبسط شده و انرژی گرمایی بخار را به انرژی مکانیکی تبدیل مینماید.

در نیروگاههای بخار، بخار خروجی از توربین فشار بالا (HP) پس از انبساط، در صـورت نیاز در بویلر دوباره گرم میشود

و سپس وارد توریبن فشار متوسط  (IP) شده و از انرژی آن در چرخاندن محور ژنراتور و نهایتاً تولید بـرق استفاده میگردد.

در نیروگاه های سیکل ترکیبی بخار HP و IP به صورت جداگانه و همزمان وارد توربین بخار شده

و سپس بخاری که انرژی خود را از دست داده است توسط تی پیس (T-pice)به کندانسور هدایت میشود.

شماتیک نیروگاه سیکل ترکیبی در فلو دیاگرام زیر نشان داده شده است.

 

نیروگاه سیکل ترکیبی: بخش بخار 

بخش عمده ای از برق دنیا به وسیله سوزاندن سوخت های فسیلی تولید می شود،

نیروگاه های بخاری، نیروگاه های گازی و نیروگاههای سیکل ترکیبی متداول ترین نیروگاه هایی هستند که از سوخت فسیلی بهره می گیرند.

نیروگاههای سیکل ترکیبی از ترکیب سیکل های مختلف ترمودینامیکی برای تولید انرژی بهره می گیرند.

یکی از انواع نیروگاههای سیکل ترکیبی توربین گاز یا CCGT است.

این نیروگاه از ترکیب نیروگاه های گازی و نیروگاه های بخار به وجود آمده اند.

هدف از این ترکیب افزایش راندمان نیروگاه ها از حدود 30 تا 40 درصد به حدود 60 درصد بوده است.

 

نیروگاههای سیکل ترکیبی ایران

مطابق آمار شرکت توانیر تا پایان سال 1386 تعداد 12 نیروگاه سیکل ترکیبی با ظرفیت تولید 10479 مگاوات در مدار قرار گرفته است.

این تعداد معادل 21.9% از ظرفیت نصب شده کشور است.

از این تعداد نیروگاه سیکل ترکیبی گیلان و نیروگاه سیکل ترکیبی قم قبل از تاسیس شرکت مپنا به بهره برداری رسیده است.

10 نیروگاه دیگر یعنی نیروگاه سیکل ترکیبی کرمان ، نیروگاه سیکل ترکیبی یزد ، فارس، کازرون ،

خوی، شهید رجایی 2، منتظر قائم، شهید سلیمی نکا، شریعتی، نیشابور توسط گروه مپنا ساخته شده است.

 

 

نیروگاه سیکل ترکیبی چطور کار میکند؟

در بخش بخار این نیروگاه ها گازهای داغ خروجی از توربین های گازی به HRSG یا بویلر های بازیافت حرارت هدایت می شوند.

در این بخش با استفاده از حرارت این گازها بخار لازم برای به حرکت در آوردن توربین بخار تولید می گردد.

بخار تولید شده پس از عبور از توربین در کندانسور مایع شده و توسط پمپ هایی مجددا برای تولید بخار به HRSG ها هدایت می شوند.

 

 

نیروگاه سیکل ترکیبی: ترکیبی از سیکل برایتون و سیکل رانکین

نیروگاههای سیکل ترکیبی به صورت ترکیبی از دو سیکل برایتون و سیکل رانکین کار می کنند.

در این سیکل ها به طور عمده از هوا در سیکل برایتون و آب در سیکل رانکین استفاده می شود.

می توان به جای آب از سیال دیگری مانند جیوه یا آمونیاک و غیره و به جای هوا از گازهای بی اثر دیگر مانند آرگون در سیکل بسته برایتون استفاده کرد.

ولی استفاده از بخار جیوه چندان مورد علاقه نیست. زیرا حتی بازده نیروگاه های حرارتی نیز از بازده نیروگاه های بخار جیوه بالاتر است.

استفاده از سیال های اورگانیک مزایای ویژه ای از جمله کاهش دمای کاری، حجم سیال در گردش، و غیره دارد.

ولی مسایل محیطی و توسعه ای، مشکلات پیچیده ای را برای استفاده از این سیالات موجب می شود

که باعث می شود همچنان استفاده از بخار و هوا بر دیگر سیالات برتری داشته باشد.

بازده نیروگاه سیکل ترکیبی

در نیروگاههای سیکل ترکیبی، بازده به دلیل استفاده از دود خروجی سیکل برایتون که در حالت عادی به محیط اطراف دفع می شود،

بالاتر از بازده سیکل های رانکین و برایتون است.

بهبود حد تحمل آلیاژهای مورد استفاده در توربین گاز و سیستم خنک کاری پره های آن و همچنین

بهبود طراحی پره های توربین بخار و افزایش دما و فشار حداکثر سیکل رانکین متصل به توربین گاز،

باعث شده است بازده این نیروگاه ها به بیش از 60 درصد برسد.

جدول زیر به طور خلاصه مقایسه ای بین ویژگی های نیروگاههای سیکل ترکیبی با دیگر نیروگاه های رایج انجام داده است.

 

 

هزینه ساخت نیروگاه سیکل ترکیبی

با توجه به جدول فوق می توان مقایسه نسبتا خوبی بین حالت سیکل ساده و بخار با حالت سیکل ترکیبی انجام داد.

جدول فوق نشان می دهد که هزینه ساخت یک بلوک نیروگاه سیکل ترکیبی،

بسته به نوع توربین گاز آن بین 600 تا 1000 دلار در هر کیلووات است.

با توجه به هزینه ساخت نیروگاه های بخاری با سوخت سنگین که در حدود 950 دلار در هر کیلووات

و نیروگاه های گازی بین 300 تا 600 دلار در هر کیلووات، عدد قابل قبولی است.

لازم به ذکر است هزینه سرمایه گذاری برای ساخت نیروگاه برق مختلف بسته به تکنولوژی آن و محل نصب و سال احداث متفاوت است.

چنانچه هزینه مورد نیاز ساخت یک واحد نیروگاه سیکل ترکیبی در قسمت های مختلف آن وزن داده شود گراف زیر به طور تخمینی به دست می آید.

با توجه به شکل زیر توربین گاز 32 درصد، بویلر بازیاب 10 درصد، توربین بخار 8 درصد

و عملیات ساختمانی 18 درصد هزینه ساخت نیروگاه سیکل ترکیبی را شامل می شود.

 

چنانچه بخواهیم هزینه ها را در طول عمر نیروگاه در نظر بگیریم،

هزینه اولیه احداث نیروگاه 8 درصد، تعمیرات و نگهداری و بهره برداری 17 درصد

و سوخت 75 درصد هزینه کل نیروگاه در طول عمر آن را شامل می شود.

همچنین زمان نصب و راه اندازی نیروگاه سیکل ترکیبی (2 تا 5,2 سال)

بسیار کمتر از نیروگاه بخاری (به طور متوسط 3 تا 4 سال) است.

جهت اطلاع از زمان نصب و راه اندازی نیروگاه های دیگر به جدول زیر می توان رجوع کرد.

شکل زیر برنامه زمان بندی یک نیروگاه سیکل ترکیبی را نشان می دهد.

 

منبع: مبانی و اصول مهندسی نیروگاه و تجهیزات اصلی آن  – هادی اله یار، فاطمه نام آور