15 خرداد، روز جهانی محیط زیست؛ اجرای طرح‌های خنک‌کاری، چه نتایج زیست‌محیطی به دنبال دارد؟

در آستانه­ ی روز جهانی محیط زیست (15 خرداد، June 5)، نگاهی به نتایج زیست‌محیطی اجرای طرح‌های خنک‌کاری داشته ­ایم.

نویسنده: دکتر محمدسعید فخیم­ جو، کارشناس مهندسی و تحقیق و توسعه

1- 1 نتایج زیست‌محیطی اجرای طرح‌های خنک‌کاری

1- 1- 1 مصرف سوخت

استفاده از سامانه خنک‌کاری تبخیری در توربین‌های گاز منجر به کاهش دمای ورودی به کمپرسور شده و ورود هوای خنک‌تر که چگال‌تر بوده منجر به افزایش دبی جرمی هوا می‌شود. با ورود هوای بیش‌تر نیاز به سوخت بیش‌تری نیز در محفظه احتراق وجود دارد. از این رو در نگاه اول مصرف سوخت توربین گاز در شرایط در مدار بودن کولر تبخیری افزایش می‌یابد. با این حال این افزایش مصرف همراه با افزایش توان تولیدی توربین است. لذا دقیق‌تر آن است که میزان مصرف سوخت به ازای توان تولیدی مورد ارزیابی قرار گیرد.

داده‌های به‌دست‌آمده از بهره‌برداری سامانه خنک‌کاری تبخیری در نیروگاه کاشان نشان می‌دهد که در شرایط مختلف دمایی و رطوبتی در طول یک دوره بهره‌برداری یک‌ماهه به‌طور متوسط حدود سه درصد در سوخت گاز و حدود چهار درصد در سوخت گازوئیل به ازای هر مگاوات برق تولید‌شده، کاهش مصرف اتفاق می‌افتد. در شرایط مختلف این مقدار حداقل برابر 7/1 درصد برای گاز و گازوئیل و حداکثر برابر 7/5 و7/6 درصد به ترتیب برای گاز و گازوئیل است. این عدد معادل مصرف 5/7 کیلوگرم گاز طبیعی و 13 کیلوگرم گازوئیل کم‌تر به ازای تولید یک مگاوات ساعت انرژی الکتریکی است.

با متوسط کارکرد سامانه خنک‌کاری حدوداً به مدت 10 ساعت در طول روز و در طول دوره پیک چهار ماهه در نیروگاه کاشان، به‌طور متوسط معادل 2365 تن گاز طبیعی و یا 4000 تن گازوئیل کم‌تر مصرف شده که صرفه‌جویی قابل‌توجهی را در بلندمدت در پی خواهد داشت. برای درک بهتر این مطلب در صورتی که فرض شود این سوخت صرفه‌جویی شده به قیمت جهانی در بازار عرضه شود، درآمدی معادل 850 هزار دلار برای گاز و یا 3/6 میلیون دلار برای سوخت گازوئیل را عاید کشور خواهد کرد. یادآور می‌شود این مبلغ تنها برای یک نیروگاه با دو واحد گازی محاسبه شده است.

1- 1- 2 بازده

افت بازده تولید توان یکی از اثرات افزایش دمای محیطی بر روی توربین‌های گاز است. این کاهش بازده استفاده غیربهینه از منابع ارزشمند انرژی را در پی خواهد داشت. نتایج به‌دست‌آمده از عملکرد سامانه خنک‌کاری تبخیری در نیروگاه کاشان نشان می‌دهد که این سامانه قادر است تا بازده عملکرد توربین گاز را در فصل گرم افزایش دهد. در شرایط مختلف دمایی و رطوبتی و در حالت سوخت گاز طبیعی به‌طور متوسط بازده تولید توربین گاز 2/3 درصد افزایش ‌می‌یابد که این عدد برای سوخت گازوئیل به 1/5 درصد می‌رسد.

1- 1- 3 آلاینده‌های هوا

یکی از معضلات تولید انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت‌های فسیلی تولید آلاینده‌های هوا است. سوزاندن گاز طبیعی برای تولید انرژی نسبت به سایر سوخت‌ها مثل زغال‌سنگ یا بنزین منجر به انتشار مقادیر کم‌تری از انواع آلاینده‌های هوا و کربن‌دی‌اکسید می‌شود. خواص پاک‌سوختن گاز طبیعی، استفاده از این سوخت را برای تولید انرژی الکتریکی افزایش داده است. واکنش سوختن گاز طبیعی به صورت معادله زیر است:

CH4 + 2O2 > CO2 + 2H2O

همانطور که ملاحظه می‌شود در صورت سوختن کامل گاز طبیعی، حاصل گاز کربن دی‌اکسید و بخار آب خواهد بود. با این حال بنا به دلایل مختلف همواره این گاز به صورت کامل نسوخته و منجر به انتشار جانبی آلاینده‌های دیگر هوا مانند اکسیدهای نیتروژن و کربن مونواکسید می‌شود.

در توربین‌های گاز نیز فرآیند سوختن فوق منجر به انتشار آلاینده‌های هوا و کاهش کیفیت هوا می‌شود. همان‌طور که اشاره شد با استفاده از سامانه‌ خنک‌کاری تبخیری، میزان مصرف سوخت توربین افزایش یافته و متعاقب آن توان تولیدی افزایش می‌باید. به همین نسبت با افزایش میزان مصرف سوخت، انتشار آلاینده‌های هوا از خروجی دودکش توربین گاز نیز افزایش می‌یابد. اما مشابه آنچه در مورد مصرف سوخت بیان شد، میزان آلاینده انتشار یافته به نسبت توان تولیدی کاهش می‌یابد. از سوی دیگر کاهش دمای هوای ورودی باعث کاهش احتراق ناقص و تولید کم‌تر اکسیدهای نیتروژن خواهد شد.

به دلیل عدم پایش لحظه‌ای آلاینده‌های منتشرشده از خروجی دودکش، به مقدار کافی داده جهت بررسی اثر سامانه خنک‌کاری بر روی میزان آلاینده‌های خروجی وجود نداشته است. از این رو جهت بررسی این عامل، شبیه‌سازی نرم‌افزاری توربین گاز با سوخت گاز در دو حالت عدم وجود سامانه خنک‌کاری و همچنین وجود خنک‌کاری بر روی ورودی هوای کمپرسور توربین انجام شد. نتایج این مدلسازی در شکل زیر نشان داده شده است:

درصد تغییرات متغیرهای مختلف توربین گاز نیروگاه کاشان پس از خنک‌کاری به روش مدیای مرطوب

 نتایج ارائه شده در شکل بالا، حاصل شبیه‌سازی توربین وی.94.2.5 شرکت مپنا، برای شرایط آب و هوایی شهر کاشان در رطوبت نسبی پنج درصد است. همان طور که مشاهده می‌شود، با به‌کارگیری سامانه خنک‌کاری تبخیری به روش مدیای مرطوب توان تولیدی توربین تا 88/22 درصد، در دمای 50 درجه سلسیوس افزایش یافته‌ است. میزان اثر گذاری این سامانه با افزایش دما و کاهش رطوبت افزایش می‌یابد. به‌صورت متناظر با افزایش دما، مقدار سوخت مصرفی و متعاقباً کربن‌دی‌اکسید تولیدی تا 88/15 درصد افزایش یافته است. با این حال در صورتی‌که میزان مصرف سوخت و کربن‌دی‌اکسید منتشرشده بر حسب میزان توان توربین مورد توجه قرار داده شود، در دمای 50 درجه سلسیوس و رطوبت پنج درصد میزان مصرف سوخت و تولید آلاینده کربن‌دی‌اکسید تا 7/5 درصد کاهش در مصرف و انتشار آلاینده را به ازای هر مگاوات تولید برق توربین نشان می‌دهد.

با توجه به نتایج ارائه‌شده در این زیربخش مشخص می‌شود که استفاده از سامانه‌های خنک‌کاری تبخیری به روش مدیای مرطوب در ورودی هوای کمپرسور توربین‌های گاز، طرحی همسو با اهداف زیست‌محیطی و اقدامی در جهت بهبود وضعیت محیط‌زیست منطقه و کشور است. کاهش مصرف سوخت فسیلی به عنوان یکی از منابع اصلی انرژی کشور از جمله مزایای استفاده از این طرح است. از سوی دیگر با کاهش انتشار آلاینده‌های ناشی از سوختن منابع فسیلی گامی در جهت بهبود کیفیت هوا برداشته می‌شود.

نکته منفی استفاده از این سامانه، مصرف آب آن است. بررسی و محاسبات انجام‌شده نشان می‌دهد، که این مصرف در مقایسه با سایر مصارف شهری کشور عدد قابل‌توجهی نبوده و می‌توان با اقدامات اصلاحی در مصارف  این مصرف را نیز جبران کرد.

در کنار تمامی مزایای ذکر شده، از مهم‌‌ترین ثمرات استفاده از این طرح افزایش توان تولیدی نیروگاه‌های کشور در زمان پیک مصرف شبکه، بدون صرف هزینه‌ی کلان جهت احداث نیروگاه جدید و یا ایجاد ظرفیت مازاد بر ظرفیت تولید نیروی کشور است. جلوگیری از قطعی شبکه در زمان اوج مصرف برق در فصل گرم سال، منافع اجتماعی-اقتصادی عمده‌ای را برای کشور در بر خواهد داشت. جلوگیری از قطع برق صنایع و کاهش تولید در کشور و جلوگیری از خاموشی‌ها در مناطق شهری از جمله مواردی است که استفاده از این سامانه‌ها بدون صرف هزینه زیاد برای کشور عاید خواهد کرد.