معرفی نرم افزار Thermoflow

 مقدمه‌ای بر ماژول‌های نرم‌افزار Thermoflow

و کاربرد آن در طراحی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی واحدهای نیروگاهی

 

  

نویسنده :احسان‌اله سعادتی

کارشناس ارشد طراحی و شبیه‌سازی سیکل نیروگاه

مدرس دوره‌های طراحی نیروگاه در شرکت مهندسی پیتک(پرداد پترودانش)

 

مقدمه:

طراحی پایه، برآوردهای اقتصادی و امکان‌سنجی فنی و اقتصادی، یکی از مراحل مهم در هر پروژه صنعتی است. در پروژه‌های نیروگاهی به دلیل هزینه‌های اجرای یک پروژه از یک سو و هزینه‌های اقتصادی و بهره‌برداری از سوی دیگر، مطالعات پایه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در کنار آن، محدودیت‌ها و هزینه‌های زیست‌محیطی ، در صورتی که پیش از شروع پروژه مورد ارزیابی قرار نگیرد، می‌تواند موجب بروز مشکلات و محدودیت‌های فراوانی در بهره‌برداری از یک نیروگاه گردد. نمونه‌هایی از این موارد در خصوص نیروگا‌ه‌های با برداشت آب بالا در مناطقی از کشور مشاهده می‌شود که موجب بروز مشکلات در ذخایر آب منطقه شده است. بدین‌ ترتیب ضروری است پیش از احداث هر نیروگاه، مصارف اصلی و جانبی نیروگاه از قبیل آب، سوخت و غیرو مورد بررسی قرار گیرد. علاوه بر آن مساله دیگری که می‌بایست مورد بررسی قرار گیرد، تاثیرات اقلیم و آب و هوای محل نصب نیروگاه، بر توان و راندمان آن است. ایران کشوری است که در آن تنوع بسیار بالایی از ارتفاعات، دماها و رطوبت نسبی مشاهده می‌شود. هر یک از این پارامترها تاثیرات قابل توجهی بر عمکرد نیروگاه‌های حرارتی و خصوصا واحدهای گازی دارد. به نحوی که با جابجایی یک واحد گازی و یا سیکل ترکیبی بین دو سایت یکی در مجاورت دریای خزر و و دیگری در منطقه‌ای کوهستانی مرتفع مانند بام ایران، تا 20% از توان واحد کاسته شده و با وجود هزینه‌های ثابت نیروگاه از منظر تجهیزات اصلی مانند توربین‌های گازی و بخار، بخش قابل توجهی از توان واحد، غیر قابل استفاده خواهد بود. در عمل سعی می‌شود بخشی از این کاهش در واحدهای سیکل ترکیبی، با استفاده از داکت‌برنر و احتراق اضافی در HSRG جبران شود. تمام این مسائل ما را بر آن میدارد به منظور حداکثر استفاده بهینه از تجهیزات و سوخت کشور، مطالعات اولیه‌ای بر روی واحد‌های نیروگاهی انجام دهیم.

علاوه بر آن تمامی نیروگاه‌ها با گذشت زمان، به دلیل بروز پدیده‌هایی مانند پیری در تجهیزات اصلی از قبیل توربین گاز و همچنین عدم عملکرد صحیح تجهیزاتی مانند اجکتور، کندانسور و هیترها، از توان و راندمان نیروگاه کاسته می‌شود. به منظور یافتن نقاط بحرانی این نیروگاه‌ها، نیاز به انجام شبیه‌سا‌زی‌هایی از وضعیت فعلی نیروگاه، مقایسه آن‌ها با شرایط طراحی و در نهایت تعیین میزان تاثیر اصلاح هر یک از نقاط بحرانی است.

در کنار این‌ها پس از تصویب هر پروژه، نیاز است پس از انتخاب پارامترهای کلیدی نیروگاه مانند توان مورد نیاز، نوع سیکل و سیستم خنک‌کاری، سیکل نیروگاه با در نظر گرفتن محدودیت‌های دسترسی به تجهیزات اصلی و توسط کارشناسانی آشنا به تجهیزات مختلف ، طراحی و شبیه‌سازی شود. تمام این‌ها نیازمند نرم‌افزاری جامع است که بتوان با استفاده از آن، علاوه بر طراحی و شبیه‌سازی سیکل نیروگاه، هزینه‌های اجرای طرح، مدت‌ زمان بازگشت سرمایه و تاثیر مانورهای مختلف عملکرد نیروگاه را بررسی نمود. نرم‌افزار Thermoflow در حال حاضر به عنوان معتبرترین نرم‌افزار طراحی و شبیه‌سازی نیروگاه در جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار برای اولین بار در سال 1987 توسط جمعی از مهندسان نیروگاه و دانش‌آموختگان دانشگاه MIT به سرپرستی دکتر ماهرالمصری، طراحی و تدوین گردید و در حال حاضر توسط بسیاری از شرکت‌های معتبر جهانی مانند GE، ABB، SIEMENS، ALSTHOM و ANSALDO مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ایران نیز این نرم‌افزار توسط شرکت‌هایی همچون مشانیر، مپنا، قدس‌نیرو و برخی از نیروگاه‌ها و برق‌های منطقه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. کسب نتایج صحیح و قابل اعتماد اما نیازمند داشتن دانش کافی در حیطه‌های مختلف نیروگاه و تسلط لازم بر ماژول‌های مختلف نرم‌افزار است. هدف از این بخش معرفی مشخصات، قابلیت‌ها و کاربردهای مختلف آن است. در معرفی نرم‌افزار از آخرین نسخه‌های منتشر شده نرم‌افزار در جهان[1] استفاده شده است. این نسخه در سال 2013 به صورت رسمی منتشر شده‌است.

 

معرفی نرم‌افزار

به طور کلی نرم‌افزار ترموفلو به صورت ماژولار و یا بخش به بخش مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماژول‌های مختلف نرم‌افزار عبارتند از GT Pro، GT Master، Steam Pro، Steam Master، Re-Master، QT-Pro، GT Template، PDE، Thermoflow Macro، Unit Conversion و در نهایت مهمترین ماژول آن Thermoflex که هر یک بسته به نوع و آرایش نیروگاه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کنار این‌ها ماژول PECAE به صورت جانبی در کنار غالب ماژول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

GT-Pro

این ماژول یکی از ماژول‌های پرکاربرد خانواده ترموفلو است که در شبیه‌سازی نیروگاه‌های گازی، سیکل‌ترکیبی و واحدهای آب‌شیرین‌کن و IGCC بر پایه توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار شامل انواع آرایش‌های ممکن برای سیکل‌های ترکیبی، بسیاری از سیستم‌های خنک‌کن رایج و کتابخانه‌ای از توربین‌های گازی شامل بیش از 500 مدل از سازندگان مختلف می‌باشد. در این ماژول می‌توان شرایط طراحی سیکل‌های ترکیبی بر پایه غالب توربین‌های گازی مورد استفاده در کشور و سیستم‌‌های خنک‌کاری یک‌بارگذر (مانند نیروگا‌ه‌های سیکل‌ترکیبی نکا و پره‌سر) و ACC (مانند سیکل‌ترکیبی قم و کرمان) را شبیه‌سازی نمود. ضعف اصلی این‌ نرم‌افزار برای پروژه‌های جاری در کشور، عدم وجود سیستم‌ خنک‌کاری معروف به هلر ایران با برج خشک و مکش طبیعی در قالب‌های پیش‌فرض نرم‌افزار است. بنابراین برای شبیه‌سازی کامل بسیاری از نیروگاه‌های سیکل ترکیبی با برج هلر به ناچار می‌بایست از دیگر ماژول‌ها که در ادامه معرفی می‌گردند استفاده نمود.

 

شبیه‌سازی نیروگاه سیکل‌ترکیبی مجتمع مس سرچشمه در نرم‌افزار GT Pro

 

GT Master

از این نرم‌افزار در شبیه‌سازی شرایط دور از طراحی (بهره‌برداری) واحدهای سیکل‌ترکیبی استفاده می‌گردد. ورودی‌های این ماژول توسط ماژول پیشین، GT Pro تولید می‌شود. بنابراین ضروری است هر نیروگاه پیش از شبیه‌سازی در نرم‌افزار GT Master، یکبار در نرم‌افزار GT Pro شبیه‌سازی شود تا مشخصات کلی سیکل و تجهیزات آن تعیین گردد. این نرم‌افزار می‌تواند توسط بهره‌برداران نیروگاه به منظور بررسی تاثیر تغییرات مختلف واحد بر پارامترهای مورد نظر، مورد استفاده قرار گیرد. تعیین تاثیرات پیری توربین گاز بر توان و راندمان واحد سیکل‌ترکیبی، افزودن دبی سوخت داکت‌برنر بر تغییرات عملکردی HRSG و بخش بخار و مانند آن، نمونه‌ای از مانورهای مورد نظر گروه‌های بهره‌برداری نیروگاه است که در ماژول GT Master به آسانی انجام می‌شود. همچنین در این نرم‌افزار تاثیر فلسفه‌های مختلف کنترل توربین گاز، توربین بخار و مشابه آن بر عملکرد نیروگاه مورد بررسی قرار می‌گیرد. فلسفه‌های TIT ثابت، TET ثابت و IGV ثابت نمونه‌هایی از این فلسفه‌های کنترلی هستند که تنها در بار جزیی[2] واحد و نرم‌افزار GT Master مورد بررسی قرار می‌گیرند. در نهایت هر نیروگاه پس از طراحی و پیش از ساخت، می‌بایست در شرایط دمایی و رطوبتی سال شبیه‌سازی گردد تا با استفاده از روش‌های آماری، تولید برق  و مصارف سوخت و آب آن در یک سال محاسبه و در نهایت بازگشت سرمایه آن مورد بررسی قرار گیرد.

 

 

تنظیمات بهره‌برداری و تغییرات HRSG در نرم‌افزار GT Master

Steam Pro

از این نرم‌افزار در شبیه‌سازی نیروگاه‌های حرارتی (بخاری) با آرایش‌های متنوعی از بویلرها، سیستم‌های خنک‌کن و توربین‌های بخار استفاده می‌شود. با استفاده از این نرم‌افزار می‌توان نیروگاه‌های هسته‌ای و ذغال‌سنگ‌سوز با بستر سوخت جامد را نیز شبیه‌سازی نمود که البته در کشور ما کاربرد چندانی ندارد. با وجود گستردگی انواع سیستم‌های خنک‌کاری آب کندانسور در این نرم‌افزار، مشابه نرم‌افزار GT Pro، محدودیت‌هایی برای شبیه‌سازی سیستم‌های معروف به هلر در این نرم‌افزار نیز وجود دارد. علت اصلی آن، تفاوت برج‌های جابجایی طبیعی مورد استفاده در سیستم هلر ایران با برج‌های جابجایی اجباری مورد استفاده در هلرهای رایج در جهان است. بدین‌ترتیب امکان شبیه‌سازی واحدهایی همچون بخار شهید رجایی و بخار شهید منتظری در این نرم‌افزار وجود ندارد. در کنار آن اما نیروگاه‌هایی مانند شهید مفتح همدان، بخار منتظر قائم، بعثت تهران با برج تر و بخش بخار نیروگاه نکا با سیستم خنک‌کن یک‌بار گذر، نمونه‌هایی از نیروگاه‌هایی هستند که امکان شبیه‌سازی آن‌ها در نرم‌افزار Steam Pro وجود دارد. همچنین طرح‌های جدید نیروگاه‌های حرارتی کشور بیشتر متمایل به سیستم خنک‌کن ACC است که امکان شبیه‌سازی آن‌ها در Steam Pro وجود دارد.

 

 

شبیه‌سازی نیروگاه بخاری شهید مفتح همدان در نرم‌افزار Steam Pro

Steam Master

مشابه GT Master  در کنار GT Pro، نرم‌افزار Steam Master نیز در کنار Steam Pro برای شبیه‌سازی نیروگاه‌های حرارتی (بخاری) در شرایط دور از طراحی[3] (بهره‌برداری) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اینجا نیز می‌بایست ابتدا یک‌بار شبیه‌سازی واحد در شرایط طراحی و در نرم‌افزار Steam Pro انجام شود و محاسبات سیکل و تجهیزات به عنوان ورودی نرم‌افزار Steam Master تعیین شود. بسیاری از مانورهای مورد نظر تیم بهره‌برداری نیروگاه و یا تیم‌ طراحی پیش از ساخت نیروگاه، در این نرم‌افزار قابل اجراست. به طور مثال میزان تغییرات دبی آب اسپری در دی‌سوپرهیتر[4] نسبت به بار، تاثیر از مدار خارج‌کردن یکی از هیترهای پیش‌گرمکن در فصل گرم‌سال، میزان تغییرات خلا کندانسور نسبت به تغییرات دمای محیط و موارد بسیاری از این دست، در این‌ نرم‌افزار قابل شبیه‌سازی و بررسی است. یکی از ضعف‌های کلیه‌ ماژول‌های ترموفلو در حال حاضر عدم در نظر گرفتن تاثیر باد بر عملکرد تجهیزاتی مانند برج خنک‌کن است. برای حل این مساله البته می‌توان از امکان کدنویسی در ماژول Thermoflex استفاده نمود.

 

تنظیمات سیستم پیش‌گرمایش آب در نرم‌افزار Steam Master

Re Master

در هر کشور با سابقه طولانی تولید برق، نیروگاه‌هایی وجود دارد گه با گذشت زمان دچار پیری و از کارافتادگی قابل توجهی شده‌اند. در ایران نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه طرشت، بعثت و اسلام‌آباد اصفهان(واحدهای 38 مگاواتی) از این دسته‌اند. مساله اصلی در مورد این نیروگاه‌ها فرسودگی بارزتر و بروز مشکلات جدی‌‌تر بر روی بویلر در مقایسه با سایر تجهیزات است. از سوی دیگر پایین بودن راندمان واحد در مقایسه با واحدهای مدرن امروزی می‌تواند موجب انحراف واحد نسبت به میانگین واحد‌های نیروگاهی و امکان حذف برخی از یارانه‌ها بر روی سوخت و سایر مصارف نیروگاه شود. بنابراین ایده‌هایی به منظور بازیابی توان این واحدهای فرسوده مطرح می‌گردد. این ایده‌ها به صورت جدی بر روی بخش بویلر نیروگاه متمرکزاند. طرح‌هایی مانند تعویض کامل بویلر با یک بویلر مرسوم[5] جدید، نصب HRSG و توربین گاز به منظور تامین بخار واحد و یا روش‌های تلفیقی حرارتی، ترکیبی از این دسته‌اند که بسته به راندمان‌های مورد نظر مدیریت بهره‌برداری واحد و همچنین محدودیت‌های جانمایی و هزینه‌ای، یکی از این طرح‌ها اجرا خواهد شد. نرم‌افزار Re Master که بر پایه یک شبیه‌سازی انجام شده بر روی نیروگاهی در Steam Master کار می‌کند، به صورت اختصاصی برای طراحی و شبیه‌سازی واحد‌های بازتوانی کاربرد دارد. انواع طرح‌های بازتوانی مذکور در بالا تحت آرایش‌های N، X و NX طراحی و شبیه‌سازی می‌شوند.

 

نمونه‌ای از یک سیستم بازتوانی نیروگاه بخاری با حفظ بویلر موجود و افزودن بویلر بازیاب

Thermoflex

در این نرم‌افزار مشابه نرم‌افزارهای HYSYS و ASPEN Plus تجهیزات به صورت جز به جز در کنار یکدیگر چیده می‌شوند و بدین ترتیب انعطاف‌پذیری بالاتری در شبیه‌سازی انواع واحدهای بخار، گازی و سیکل‌ترکیبی با آرایش‌های دلخواه تجهیزات وجود دارد. بنابراین انواع نیروگاه‌های مورد استفاده در کشور با سیستم خنک‌کن هلر شامل کندانسور جت و برج طبیعی خشک، به آسانی در ترموفلکس شبیه‌سازی می‌شوند. نرم‌افزار با استفاده از سه‌ وضعیت شبیه‌سازی Thermodynamic ، Engineering و Off Design توانایی شبیه‌سازی واحدهای مختلف در شرایط طراحی و بهره‌برداری را دارد. می‌توان گفت در شرکت‌های معتبر کشور، ترموفلکس پرکاربردترین ماژول ترموفلو است. مساله اصلی در کار با این نرم‌افزار پیچیدگی ساخت مدل از یک‌سو و لزوم داشتن دید کامل نسبت به هر نیروگاه و تجهیزات آن از سوی دیگر است. این نرم‌افزار از نسخه 21 شامل تغییرات گسترده‌ای گردید که کار با آن را روان‌تر نمود. همچنین در نسخه 23 ترموفلو، امکان کدنویسی[6] مستقیم برای تجهیزات و یا مانورهای دلخواه نیز فراهم گردید.

 

 

بخشی از شبیه‌سازی واحد بخار 440 مگاواتی نیروگاه نکا

PEACE

این گزینه به صورت یک ماژول مستقل کار نمی‌کند، اما یکی از مهمترین بخش‌های نرم‌افزار ترموفلو است که نیازمند لایسنس‌ جداگانه است و یکی از نقاط برجسته‌ نرم‌افزار است که آن را در مقایسه با نرم‌افزارهای دیگر مانند Cycle Tempo و Dymola متمایز می‌کند. در این بخش، نرم‌افزار با استفاده از کتابخانه وسیعی از تجهیزات و امکان انجام مهندسی جزییات تا مراحلی -هر چند به صورت تقریبی- میزان مواد خام مصرفی و هزینه ساخت هر تجهیز و در نهایت محاسبات زمان ساخت نیروگاه و تعداد نفرساعت کارگران، مهندسان و غیرو، به محاسبه قیمت تمام‌شده نیروگاه می‌پردازد. در کنار آن این ماژول قادر است با استفاده از ابعاد تقریب تجهیزات، جانمایی تجهیزات در واحد را نیز انجام دهد. هر چند که بسته به شرایط مختلف کشور و همچنین موقعیت زمین، سرعت باد و مسائلی از این دست، هزینه‌ها و جانمایی تجهیزات نیاز به بازبینی خواهد داشت.

علاوه بر آن PEACE پس از انجام محاسبات ترمودینامیکی هر تجهیز، مطابق نیازهای ترمودینامیکی، آن را سایز می‌کند و نقشه‌های تقریبی از تجهیزات اصلی ارائه می‌دهد. این سایزینگ شامل انتخاب متریال و اندازه لوله‌ها، تعداد لوله‌ها، ضخامت و متریال پوسته‌ها و سایر مشخصات فنی تجهیزات است. مزیت این مساله علاوه بر امکان تخمین قیمت تجهیز بر پایه قیمت مواد خام و هزینه‌های ساخت موجود در کتابخانه، امکان محاسبه افت‌های فشار هر تجهیز بر اساس جزییات مهندسی آن است. بنابراین افت فشار در سمت آب و بخار و یا دود تجهیزاتی مانند هارپ‌های بویلر، مبدل‌های حرارتی و لوله‌های اصلی و فرعی مسیر، با دقت قابل قبولی و به صورت خودکار محاسبه می‌شود. در نهایت می‌توان گفت نرم‌افزار Thermoflow بدون ماژول PEACE عملا بسیاری از کارایی‌های خود را از دست خواهد داد. خوشبختانه در غالب نسخه‌های موجود نرم‌افزار در کشور، PEACE به صورت کامل قابل استفاده است.

 

خروجی سه‌بعدی جانمایی ماژول PEACE در محیط AUTOCAD

PDE[8]

این ماژول که بر پایه ماژول GT Pro کار می‌کند با استفاده از پیش‌فرض‌های فراوان موجود در کتابخانه و تنها با دریافت پاسخ چندین پرسش ساده مانند وفور سوخت و آب در نیروگاه و ترجیح استفاده از محصولات سازندگان خاص، به طراحی نیروگاه‌های سیکل‌ترکیبی می‌پردازد. با توجه به پیش‌فرض‌های فراوان مورد استفاده در این ماژول، استفاده از آن برای متخصصان طراحی نیروگاه توصیه نمی‌شود و بیشتر مناسب مدیرانی است که نیازمند تصمیم‌گیری سریع در جلسات پروژه می‌باشند.

GT Template

این ماژول به منظور افزودن توربین‌های گازی که در کتابخانه نرم‌افزار موجود نیستند مورد استفاده قرار می‌گیرد. توربین گازی ZORYA که در بخشی از پروژه‌ نیروگاه‌های توان پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد از این دست است.

QT Pro

این ماژول شامل جداول ترمودینامیکی آب، بخار، هوا و محصولات احتراق در شرایط دما و فشاری مختلف است.

Thermoflow Macro

این نرم‌افزار در ماژول‌های مختلف نرم‌افزار فراخوانی می‌شود و با استفاده از آن می‌توان شبیه‌سازی‌های متعدد با تغییر یکی و یا چند پارامتر طراحی و بهره‌برداری نیروگاه مانند تغییرات دمایی یک واحد را بررسی نمود. نتایج خروجی علاوه بر نتایج تصویری و متنی کامل هر ماژول، شامل نمودارها و ترسیم‌های پارامترهای مختلف نیروگاه در مقابل پارامترهای طراحی و یا بهره‌برداری است.

 

تغییرات فشار ACC محاسبه‌شده با استفاده از GT Master Macro



[1]  Thermoflow 22 & 23

[2] Part Load

[3] Off Design

[4] Attemperator

[5] Conventional

[6] Scripting

[7] Plant Engineering And Construction Estimator

[8] Plant Design Expert

X
لطفا در صورت تمایل به دریافت خبرنامه‌های مهندسی و آموزشی شرکت و اطلاع از وضعیت دوره‌های در حال برگزاری، اطلاعات زیر را وارد کنید. کلیه اطلاعات شما، با حفظ امانت، نزد شرکت خدمات مهندسی و آموزشی پیتِک نگه‌داری می‌شود.
نام و نام خانوادگی
پست الکترونیک
تلفن همراه
زمینه تخصصی

ورود