کاربردهای CFD در صنایع نیروگاهی

CFD Application in Power Plant Industries

انواع جریان سیال و انتقال حرارت حضور بسیار پر رنگی در نیروگاه‌های مولد برق دارند. نیروگاه‌های خورشیدی آینه‌ای، حرارتی، بادی، آبی، جزر و مدی هر کدام به نوعی با استفاده از جریان سیال برق تولید می‌کنند. در واقع پدیده‌های فیزیکی حاکم بر تقریبا تمامی نیروگاه‌ها (بجز نیروگاه برق خورشیدی ساده)، پدیده‌های مرتبط با حرکت سیالات عامل (نظیر آب، بخار آب، گاز و هوا) و جریان‌های واکنشگر در بویلرها، می‌باشند. بسته به نوع نیروگاه، مسائل درگیر با دینامیک سیالات محاسباتی متفاوت است اما در همه نیروگاه‌ها CFD به عنوان اصلی‌ترین ابزار تحلیل سیالاتی، نقش اصلی را در آنالیز و بهبود طراحی تجهیزات و فضای نیروگاهی بازی می‌کند.

نیروگاه‌های حرارتی

بزرگترین اختلاف در نوع نیروگاه‌های حراتی، سوخت مصرفی آن‌ها است. تمامی نیروگاه‌هایی که با زغال سنگ، سوخت‌های مایع مثل مازوت، گاز، سوخت‌های هسته‌ای و همچنین نیروگاه‌های خورشیدی هلیوستات (Heliostat) جز نیروگاه‌های حرارتی محسوب می‌شوند. سیال عامل در اکثر نیروگاه‌های حرارتی (بجز نیروگاه گازی) بخار آب است. بطور کلی در این نوع نیروگاه‌ها، رژیم‌های مختلفی از انواع جریان آب و بخار آب وجود دارد. ابتدا آب بوسیله پمپ‌ها وارد بویلر شده پس از گرم شدن و تبدیل شدن به بخار فوق داغ (Super Heated Steam) در بویلر به سمت توربین بخار که به یک ژنراتور متصل شده می‌رود و با چرخش توربین و کاهش انرژی خود بصورت جریان دوفاز متشکل از بخار آب و آب تبدیل شده و در نهایت در کندانسور تماما به آب تبدیل می‌شود. اما در نیروگاه‌های گازی سیال عامل گرداننده توربین گازهای خروجی ناشی از احتراق گاز در محفظه احتراق می‌باشند. در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی همانطور که از اسمشان پیداست با بهره گیری از توربین‌های بخار و گاز از هر دو سیال بخار آب و گازهای خروجی احتراق استفاده می‌کنند.

از آنجائیکه کاربرد CFD مد نظر است لذا از پرداختن به جزئیات کارکرد این نوع نیروگاه‌ها صرف نظر شده و صرفا به موارد کاربرد CFD در آن‌ها بسنده شده است. بویلرها، دودکش‌ها، توربین‌ها -شامل توربین‌های بخار، توربین‌های گاز (برای نیروگاه‌های گازی) یا ترکیب توربین‌های بخار و گاز (برای نیروگاه‌های سیکل ترکیبی)-، کندانسور و برج‌های خنک کن مهمترین بخش‌های نیروگاه‌های حرارتی هستند که استفاده از CFD می‌تواند در آن‌ها بسیار مفید باشد.

کاربرد CFD در بویلرها

-شبیه سازی، مطالعه و بررسی جریان پرفشار آب ورودی به بویلرها و ارزیابی عملکرد تجهیزات مربوطه

-شبیه سازی جریان در دیواره آب (Water wall) و بررسی عملکرد و همچنین بهینه سازی آن

-شبیه سازی احتراق و مطالعه و بررسی حالتهای متعدد برای ارزیابی پارامتریک تجهیزات و شرایط احتراق

-شبیه سازی جذب حرارت ناشی از احتراق، توسط آب و تبدیل آن به بخار

-شبیه سازی جدا سازی آب از بخار آب در Steam Drum

-حل میدان جریان، بررسی انتقال حرارت در سوپر هیترها (Super Heaters) و بررسی عملکزد و بهینه سازی آن‌ها

-شبیه سازی گرم کردن مجدد بخار آب عبوری از توربین‌های پر فشار و ورود دوباره بخار آب گرم شده به توربین‌های فشار متوسط

لازم به توضیح است که شبیه سازی همزمان همه پدیده‌های فوق با تمامی تجهیزات بکار رفته به همراه تمامی فضای موجود نیز امکان‌پذیر بوده و تنها مشکل محدودیت سخت افزاری پردازنده‌ها می‌باشد.

کاربرد CFD در دودکش‌ها

-شبیه سازی و بررسی رفتاری سیستم تزریق آب (Water Injection System) و بررسی عملکرد تجهیزات مرتبط

-شبیه سازی، مطالعه و بررسی عملکرد سیستم گوگرد زدایی تزریق خشک (Dry Injection Desulfrization: DID)

-حل میدان جریان عبوری از انواع فیلترهای بگ (Bag)، الکترواستاتیک (Electrostatic Precipitator) یا دو منظوره (Dual Action) و ارزیابی عملکرد آن‌هاشبیه سازی و مطالعه رفتار جریان Recirculation Zone در Cavity

-محاسبه و پیش‌بینی دما، سرعت، فشار و تغییر نوع گازهای داغ خروجی از بویلرها تا خروجی از دودکش‌ها

کاربرد CFD در توربین‌های بخار یا گاز

-مطالعه، رفتار شناسی و بهینه سازی مقاطع تیغه‌های روتورها و استاتورهای توربین

-شبیه سازی و بهینه سازی تیغه‌های روتورها و کمپرسورها و همچنین مراحل (Stages) توربین

-آنالیز حرارتی و شبیه سازی خنک کاری در تیغه‌های توربین‌ها بویژه توربین‌های گاز

-شبیه سازی و بررسی رفتار جریان و کاهش میزان افت انرژی‌ جنبشی، فشار و دما در توربین‌های کم فشار (Low Pressure Turbine)، توربین‌های فشار متوسط (Intermediate Pressure Turbine) و توربین‌های پر فشار (High Pressure Turbine) بصورت مجزا یا همراه با هم

-محاسبه و بهینه‌سازی درجه واکنش (Degree Of Reaction:D.O.R) در توربین‌ها

-شبیه سازی جریان در Flow Governing و بررسی عملکرد آن بمنظور ثابت نگه داشتن سرعت دورانی توربین‌های مختلف پرفشار، فشار متوسط و کم فشار

-شبیه سازی جریان دوفازی (بخار آب و آب) در توربین‌ها با استفاده از مدل‌های چند فازی مبتنی بر Wet Steam به منظور کمینه سازی قطرات بخار آب

کاربرد CFD در کندانسورها (Condensers) و برج‌های خنک کن (Cooling Towers)

-شبیه سازی، مطالعه و بررسی خروجی آب داغ از کندانسور و ورود آن به نازل‌های اسپری کننده در برج‌های خنک کن و ارزیابی عملکرد تجهیزات به کار رفته

-شبیه سازی انتقال حرارت همراه جابجایی آزاد در برج خنک کن همراه با تغییر فاز آب داغ به بخار آب

-شبیه سازی جریان در قطره‌گیرها (Drift Eliminators) و Cooling Fillها و ارزیابی عملکرد و بهینه سازی آن‌ها

-شبیه سازی جریان آب خنک از حوضچه آب خنک به سمت کندانسورها

-شبیه سازی انتقال حرارت بین آب سرد وردی از خنک کن و بخار آب داغ خروجی از توربین در کندانسورها و بررسی عملکرد مبدل‌های حرارتی کندانسورها

نیروگاه‌های آبی

تصور اینکه 170 هزار متر مکعب بر دقیقه آب عبوری با سرعت 60 متر بر ثانیه از چه انرژی جنبشی برخوردار است حیرت انگیز می‌باشد. در واقع این مقدار آب عبوری از مخزن یک سد معمول می‌باشد که در نیروگاه آبی به عنوان سیال عامل عمل می‌کند. برق در نیروگاه‌های آبی نسبت به نیورگاه‌های حرارتی طی فرآیند کمتری تولید می‌شد. از آنجائیکه برای چرخش ژنراتور، تمامی فرآیندها از جنس هیدرودینامیک است لذا بهره بردن از روش‌های CFD برای شبیه سازی، محاسبات، پیش بینی، طراحی و بهینه سازی تمامی مولفه‌های درگیر با جریان آب امری ضروری است. بطور کلی کاربردهای CFD در نیروگاه‌های آبی (صرفا در فرآیند تولید انرژی الکتریکی) به منظور بارگذاری هیدرودینامیکی، بهینه سازی شکل کانال‌ها، لوله‌ها و راه‌گاه‌ها، بررسی عملکرد تجهیزات مختلف از جمله شیرها و دریچه‌ها و نیز بهینه سازی طراحی توربین‌های آبی و کمینه سازی خوردگی پره‌های توربین عبارتند از:

-شبیه سازی و حل میدان جریان ورودی از مخزن سد در داخل تونل فشار (Pressure Tunnel) و مخزن تعادل (Surge Tank)

-شبیه سازی و حل میدان جریان در شیر خانه (Valve House) و کانال آب (Penstock)

-شبیه سازی جریان عبوری گذرنده از توربین

-بررسی اثر کاویتاسیون بر عملکرد و خوردگی تیغه‌های توربین

-شبیه سازی جریان خروجی از توربین و ورودی به رودخانه

البته در دهه های اخیر نوع دیگری از نیروگاه های آبی در بستر دریا و با استفاده از انرژی جذر و مد توسعه یافته اند که به نیروگاه های جذر و مدی معروفند. در این نیروگاه‌ها برای شبیه سازی جریان حول پره های توربین و ارزیابی عملکرد پره‌ها و خود توربین استفاده از CFD امری معمول و حتی ضروریست.

نیروگاه‌های بادی

در گذشه از انرژی باد در آسیاب‌های بادی برای آرد کردن و یا بلغور کردن غلات و حبوبات استفاده می‌شد. اما امروزه انواع مختلف توربین‌های بادی برای بهره گیری از انرژی باد توسعه یافته اند که اکثر آن‌ها محوری هستند. طی سال‌های اخیر توسعه توربین‌های باد همه جهته (Omni-Directional Wind Turbine) نیز بسیار مورد توجه و علاقه مهندسان قرار گرفته است و البته تلاش‌های مستمری نیز در بهبود و توسعه سایر توربین‌های باد نظیر شیرویند (Sheerwind) و اینولکس (INVELOX) در جریان است. به هر هال در تمامی این توربین‌ها CFD نقشی اساسی در شبیه سازی، حل میدان جریان، بررسی عملکرد و بهینه سازی طراحی و شکل آن‌ها بازی می‌کند. ناپایایی، تراکم ناپذیری، آشفتگی و دورانی، عمده رژیم‌های حاکم بر جریان در نیروگاه‌های بادی بشمارمی‌روند که با استفاده از نرم افزارهای CFD به راحتی قابل حل هستند.

نیروگاه‌های خورشیدی حرارتی (Heliostat Power Plant)

نیروگاه خورشیدی حرارتی همانند سایر نیروگاه‌های حرارتی است با این تفاوت که انرژی گرمایی در این نوع نیروگاه‌ با استفاده از تمرکز انرژی خورشید (که با بازتابش نور خورشید از مزرعه آینه‌ها به یک کالکتور خورشیدی مستقر در بالای برج بوجود می‌آید) تأمین می‌گردد. در این دست از نیروگاه‌ها از نمک مذاب (Molten Salt) برای جمع آوری و ذخیره سازی گرمای متمرکز در کالکتور خورشیدی استفاده می‌شود. بویلرها، توربین‌ها و کندانسورها از بخش‌هایی دیگر نیروگاه‌های مذکور هستند. علاوه بر اثر بادها و گرد و غبار بر سازه‌های مختلف انواع نیروگاه‌های خورشیدی، از CFD برای حل مسائل زیر بطور معمول استفاده می‌شود:

-شبیه سازی جریان نمک سرد (Cold Salt) خروجی از تانک نمک سرد با دمای تقریبا 290 درجه سانتی گراد و پمپاژ آن به بالای برج و کالکتور خورشیدی

-شبیه سازی انتقال حرارت بین کالکتور خورشیدی و نمک مذاب سرد و افزایش دمای نمک مذاب به 600 درجه سانتی گراد

-شبیه سازی جریان نمک مذاب داغ (Hot Salt) از کالکتور به سمت مخرن نمک کداغ

-شبیه سازی پمپاژ نمک داغ از مخزن به سمت بویلر

-شبیه سازی تولید بخار ناشی از انتقال حرارت بین نمک داغ و آب ورودی به بویلر

-شبیه سازی جریان نمک کذاب خنک شدهآ از بویلر به سمت مخزن نمک سرد

-شبیه سازی جریان بخار آب در انواع توربین‌های بخار کم فشار، فشار متوسط و پر فشار و تجهیزات مرتبط

-شبیه سازی خنک کاری بخار آب خروجی از توربین‌ها و تبدیل دوباره بخار به آب در کندانسورها

سایر

علاوه بر نیروگاه‌های دسته بندی شده در بالا نیروگاه‌های دیگری نیز وجود دارند که به نوعی در زمره یک یا چند دسته از آن‌ها قرار می‌گیرند. البته تعداد این قبیل نیروگاه‌ها یا اندک است و یا اینکه طی چندسال اخیر در دست توسعه قرار گرفته‌اند. نیروگاه‎های زمین گرمایی (Geothermal Power Plant) یا نیروگاه‌های ترکیبی خورشیدی-گازی که از انرژی خورشید برای افزایش فشار هوای فشرده شده در کمپرسور یک نیروگاه گازی استفاده می‌کنند، مثال‌هایی از این دست نیروگاه‌ها هستند.

اما برای ما نکته مهم بهره گیری از CFD در آنالیز، طراحی و بهینه سازی این سیستم‌هاست. از انجائیکه سیالات و دینامیک سیالات بخش عمده چنین نیروگاه‌های را تشکیل می‌دهند پس هرکجا که وجود داشته باشند استفاده از CFD نیز توصیه می‌گردد. آشفتگی، تراکم پذیری و تراکم ناپذیری، انتقال حرارت، تغییر فاز مایع به گاز یا برعکس، احتراق و دوران مشخصات بارز نیروگاه‌های مختلف هستند و خوشبختانه نرم افزارهای CFD توانایی حل میدان جریان‌های این چنینی و با دقت قابل قوبل را دارند.

بازگشت

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ