نیروگاه های سیکل ترکیبی (Combined cycle power plant) راه حل بسیار کارآمد، انعطاف پذیر، 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 می باشد به نحوی که ژنراتور توربین گازی برق را تولید می کند، درعین حال انرژی حرارتی تلف شده از توربین گاز ( توسط محصولات احتراق) برای تولید بخار مورد نیاز توربین بخار مورد استفاده قرار می گیرد و به این طریق برق اضافی تولید می شود. با ترکیب کردن این دو سیکل بهره بری از نیروگاه افزایش پیدا می کند. بازده الکتریکی از یک چرخه ساده کارخانه نیروگاه برق بدون استفاده از اتلاف گرما به طور معمول راندمانی بین 25 تا 40 درصد دارد، در حالی که همان نیروگاه با سیکل ترکیبی راندمان الکتریکی حدود  60 درصد را دارد. همانطور که گفته شد این نیروگاه ها از ترکیب توربین های بخار و گاز ساخته می شوند و بسته به نوع توربین ها ، دیگ های بازیافت گرما ، و دستگاه های بازیابی انواع متعددی دارند.

با به کار گیری توربین های گازی در چرخه های ترکیبی  می توان پایین بودن بازده آن را بر طرف کرد و در نتیجه آن را برای تامین بار پایه به کار گرفت، در عین حال از مزایای دیگر آن نیز مانند راه اندازی  سریع و انعطاف پذیری  آن در محدوده ی گسترده ای از بار بهره مند شد.                         

یده سیکل ترکیبی برای  بهبود بازده سیکل ساده برایتون، از طریق استفاده  از حرارت گاز های خروجی توربین  گازی ، پیشنهاد شد.

این امر به وسیله بازیافت گرما مورد آزمایش قرار گرفت. بازیافت گرما  توانست انرژی که از خروجی توربین گازی  هدر می رفت  را از 70 به 60 درصد انرژی داده شده، برساند. مبادله کن گرما امکان افزایش توان خروجی را ندارد و فقط  راندمان را افزایش می دهد. از آنجایی که مبادله کن گرما افت فشار زیادی را به سیکل وارد می کند، استفاده از آن باعث کاهش نسبت فشار توربین و در نتیجه کاهش توان خالص خروجی می شود. با توجه به توان بیشینه چرخه های ساده، از آنها در جاهایی  بهره می گیرند که راندمان خروجی از اهمیت کمتری برخوردار است. در حالی که چرخه های بازیابی را در مواردی مورد استفاده قرار می دهند که راندمان بالا نیاز است. در نتیجه توان خروجی سیکل بازیاب در حدود 11 تا 14 درصد پایین تر از سیکل ساده است، که در یک ارزیابی کلی به این نتیجه می رسیم که بازده نیروگاه توربین گازی  همراه با بازیاب روش پر هزینه ای است. از این رو باید به دنبال روشی بود که از طریق آن بتوان به هر دو نیاز، یعنی راندمان و توان  بالا دست یافت. راه حلی که پیشنهاد شد در واقع بهره گیری از انرژی حرارتی بسیار بالای گاز های خروجی توربین گازی  برای تولید بخار مورد نیاز نیروگاه بخار بود. توربین گازی دارای گازهایی با دمای حدود 1200 تا 1600 درجه سانتی گراد، و توربین گازی  ماشینی با دمای حدود 530 تا 640 درجه سانتی گراد می باشد، که با ترکیب همزمان توربین گازی در طرف گرم و توربین بخار در طرف سرد را نیروگاه سیکل ترکیبی می گویند. اولین نیروگاه سیکل ترکیبی در 1950 ساخته شد. از آن به بعد تعداد نیروگاه های سیکل ترکیبی به خصوص در دهه 1970 به سر عت افزایش یافت

توربین های مورد استفاده در نیروگاه های سیکل ترکیبی معمولا با گاز طبیعی تغذیه می شوند. انتظار می رود ذخایر جهانی گاز طبیعی تا سال 2070 مصرف شود. با این حال بهبود در استخراج گاز و ذخایر گازی به طور چشمگیری افزایش یافته است. افزایش میزان سرمایه گذاران خصوصی و مصرف کنندگان به دلیل آن است که گاز متنوع تر از، زغال سنگ یا نفت است و می تواند در 90 درصد از برنامه های انرژی مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال شیلی که 70% برق تولیدی خود را  از ذخایر آبی تامین می کند، در حال حاضر به دنبال افزایش گاز خود در مواقع خشکسالی  است. به همین ترتیب چین نیز به منظور کاهش وابستگی خود به زغال سنگ، که 80% در تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد به دنبال افزایش بهره برداری از گاز می باشد.

نیروگاه های سیکل ترکیبی را می توان با بیوگاز حاصل از ضایعات کشاورزی و جنگلداری، که اغلب در مناطق روستایی به آسانی قابل دسترس است تغذیه کرد. نیروگاه های سیکل ترکیبی معمولا با گاز طبیعی طراحی شده است، اگر چه سوخت نفت، گاز سنتز و یا دیگر سوخت ها را می توان مورد استفاده قرار داد. سوخت مکمل ممکن است گاز طبیعی، نفت ، یا زغال سنگ باشد. سوخت های زیستی نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد. نیروگاه های سیکل ترکیبی برای کاهش هزینه سوخت و اثرات زیست محیطی به ترکیب  انرژی حاصل از تابش خورشید با سایر سوخت ها می پردازند که برای اولین بار در یزد این کار صورت گرفت

انواع نیروگاه های سیکل ترکیبی

نیروگاه های سیکل ترکیبی از نظر نوع توربین ها و بازیاب ها و وجود مشعل به دسته های زیر تقسیم می شوند:

1. نیروگاه های سیکل ترکیبی با مشعل

2. نیروگاه های سیکل ترکیبی بدون مشعل

3. نیروگاه های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما مجهز به بازیابی و یا گرمایش آب تغذیه

4. نیروگاه های سیکل ترکیبی با دیگ بازیافت گرما با فشار بخار چند گانه

5. نیروگاه های سیکل ترکیبی با سیکل بسته توربین گازی با گرمایش آب تغذیه در چرخه بخار

در نوع اول  از نیروگاه ها یک مشعل در داخل بویلر قرار می دهند و بیشتر در نیروگاه هایی مورد استفاده قرار می گیرد که قرار باشد بخش بخار آن به طور دائم  کار کند، که در این صورت نباید وابستگی به توربین گازی داشته باشد. در نوع دوم از این  نیروگاه ها از گاز های داغی که به عنوان  محصولات احتراقی از توربین گازی خارج می شود مورد استفاده قرار می گیرد. این دود خروجی دارای حجم بالا و دمایی حدود 500 درجه سانتی گراد است و به داخل بویلر برای تبدیل آب به بخار ارسال می شود تا از انرژی بخار برای به حرکت در آوردن ژنراتور مورد استفاده قرار بگیرد. کاربرد گونه های مختلف سیکل های ترکیبی متفاوت است.ازنیروگاه سیکل ترکیبی  بدون مشعل بیشتر برای تامین بار پایه و میانی مورد استفاده قرار می گیرد. در نوع سوم از این نیروگاه ها در چرخه ترکیبی، گاز های خروجی یک چرخه ساده توربین گازی که شامل کمپرسور هوا(َAC)،اتاق احتراق(CC ) و توربین گازی ( GT) است، وارد دیگ بازیافت گرما ( HRB) می شود و در آنجا برای تولید بخار فوق گرم مورد استفاده قرار می گیرد. در چرخه های ترکیبی که قدرت پایینی دارند توان توربین بخار در حدود 50 درصد کمتر از توربین گازی است. در نوع چهارم این نیروگاه ها که بخار با فشار چندگانه تولید می شود، دمای گاز های خروجی دیگ بازیافت گرما کاهش می یابد و به این ترتیب بازده نیروگاه به طور کلی افزایش پیدا می کند. ساده ترین نوع این چرخه، چرخه با فشار دوگانه است، هرچند که چرخه با فشار سه گانه نیز مورد استفاده قرار گرفته است. 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 می شود، و مدار دوم مدار فشار پاین است  که بخار تولید شده در آن از طبقات با فشار پایین تر وارد توربین می شود. در یک چرخه ترکیبی پیشنهادی  با فشار سه گانه، بخار دیگری با فشاری بین  فشارهای ورودی به دو توربین بخار تولید می شود. این بخار به اتاق احتراق توربین گازی تزریق می شود تا میزان گسیل اکسید های نیتروژن تا حد استاندارد تعیین شده، کاهش بیابد. در صورتی که از این روش استفاده شود، مقداری آب تلف خواهد شد که به طور پیوسته باید آن را جبران کرد.                       

دو نکته در سیکل ترکیبی

1. در نیروگاه های بزرگ چرخه ترکیبی که برای تامین بار پایه به کار می روند و بازده آنها اهمیت زیادی دارد، از وسایل احتراق اضافه جداگانه در فاصله بین توربین گازی و دیگ بازیافت گرما استفاده می شود. توان خروجی توربین بخار معمولا با نسبت 8 به 1 بزرگتر از توان خروجی توربین گازی است. بنابراین در چرخه بخار برای داشتن بازده بالا لازم است که از بازگرمایش بخار و تعداد بیشتری گرمکن آب تغذیه استفاده شود.

2. چون هنوز ظرفیت توربین های گازی به اندازه توربین های بخار نیست، در چرخه های ترکیبی غالبا چندین توربین گازی با یک دستگاه توربین بخار ادغام می شود. چنین ترکیبی علاوه بر داشتن توان کل خروجی بالاتر مزایای دیگری نیز دارد که شامل در دسترس بودن بیشتر، انعطاف پذیری بیشتر در ضمن کار، بازده بالاتر در بار جزئی است. 

سیکل ترکیبی برای نیروگاه های هسته ای

در چرخه ترکیبی برای نیروگاه های هسته ای از راکتور هسته ای دمای بالا و خنک شونده با گاز(HTGR) به عنوان منبع گرمای چرخه توربین گازی استفاده می شود. در چنین ترکیبی از راکتور-توربین از گاز هلیم به عنوان خنک کن راکتور و شاره کارکن چرخه بسته توربین گازی استفاده می شود.ابتدا هلیم با عبور از کمپرسور متراکم می شود سپس در یک مبادله کن گرما پیش گرم می شود و سپس وارد راکتور HTGR می شود و آن را با دمایی بین 780 تا 800 درجه سانتی گراد ترک می کند. هلیم در یک توربین هلیم انبساط می یابدوسپس وارد مبادله کن گرما می شود. انرژی باقی مانده در گاز سرانجام در یک گرمکن بسته آب تغذیه ( FWH) به چرخه بخار انتقال می یابد. چرخه بخار نیز یک چرخه نسبتا استاندارد است

نیروگاه سیکل ترکیبی

 نیروگاه های سیکل ترکیبی بدون مشعل

 در این نوع ، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی ( دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود 500 درجه سانتی گراد است ) دارد به بویلری هدایت می شود و به جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری ، جهت تولید حرارت به کار می رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش در می آورد. این امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می گردد ، ضمن آنکه هزینه های سرمایه گذاری به ازای هر کیلو وات تا حد قابل ملاحظه ای کاهش پیدا می کند . این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده می شود و کارآیی آن در صورتی که فقط برای تولید برق به کار رود تا 50 درصد هم بالا می رود .

 در مناطق سردسیر با بکارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به جای کندانسور و برج خنک کن در تامین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده می شود که در این صورت راندمان تا 80 درصد هم افزایش می یابد... ادامه