بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی جانمایی توربین های انبساطی در ایستگاه های تقلیل فشار گاز جهت ذخیره انرژی
چکیده
در این پروژه جانمایی توربینهای انبساطی در ایستگاه های تقلیل فشار گاز جهت ذخیره انرژی مورد بررسی قرار داده شده است .در ایستگاه های تقلیل فشار گاز، کاهش فشار گاز در شیرهای فشارشکن انجام می شود که در این فرآیند تولید انرژی وجود ندارد و مقدار قابل توجهی از انرژی فشاری گاز به هدر می رود .در این پژوهش تبدیل فشار گـاز طبیعـی بـه انـرژی مکانیکی توسط جایگزین کردن توربین های انبساطی با شیرهای فشار شکن گاز مورد مطالعه قرار داده شده است .با توجـه به روابط ترمودینامیکی از قبیل آنتـالپی، آنتروپـی و قـانون اول ترمودینامیـک و فـرض اینکـه تـوربین تحـت یـک فرآینـد آیزنتروپیک عمل می کند کار حاصل از کاهش فشار گاز توسط توربین محاسبه شده که از این کار می تـوان بـا اسـتفاده از تجهیزاتی مانند ژنراتور، انرژی الکتریکی تولید کرد و بنابراین از اتلاف انرژی می توان در این زمینه جلوگیری کرد .همچنین پارامترهای اثرگذار در افزایش یا کاهش بازدهی این عمل مورد بررسی قرار داده شده است.
کلمات کلیدی: ایستگاه تقلیل فشار گاز، توربین انبساطی، شیر فشارشکن، معادله حالت
1
-1 مقدمه
امروزه بیش از نیمی از انرژی جهان به وسیله سوخت های تجدیدناپذیر فسیلی حاصل میشود .بنابراین شناخت منابع جدیـد انرژی و روش های تولید انرژی نو و همچنین کاهش هدر رفت انرژی از اهمیت خاصی برخوردار میباشد.در واقع همزمان با افزایش جمعیت و رشد اقتصاد، تقاضا برای انرژی زیاد شده که در دهه های اخیر این تقاضای انرژی به شدت افزایش یافتـه است .نفت و گاز نقش مهمی را در تامین نیازهای انرژی مورد نیاز در دنیا به خود اختصاص داده اند .استفاده مدرن از انرژی های تجدیدپذیر و همچنین در تکنولوژی های جدید از قبیل انرژی خورشید، انرژی زمین گرمائی، نیروی باد و ... به سرعت رشد یافته است همچنین سوخت های فسیلی علاوه بر اینکه برای محیط زیست مضر هستند دارای منابع محدودی نیز می باشند .از طـرف
دیگر قیمت آنها نیز روز به روز گرانتر می شود .بنابراین طراحی سیستم های بازیافت انرژی بسیار ضروری به نظر می رسد . استفاده از انرژی فشار گاز در لوله های خط انتقال می تواند یکی از مصادیق بازیافت انرژی باشد که می توان بـا بکـارگیری توربین در مسیر خط لوله گاز از هدر رفت انرژی جلوگیری کرد.
توربین های انبساطی نقش مهمی را در تولید انرژی می توانند ایفا کنند .این توربین ها هم می توانند در مسیر جریان های گاز با فشار بالا قرار گیرند تا بتوان از آن انرژی الکتریکی حاصل کرد، هم می تـوان بـه عنـوان سیسـتم هـای سـرد کننـده استفاده کرد .به طور کلی توربین های انبساطی دستگاه هایی جهت تبدیل انرژی گاز به برق می باشند، این دسـتگاه هـای فوق العاده ارزشمند در ایستگاه های تقلیل فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرند، در واقع این دستگاه ها جهت جلوگیری از اتلاف انرژی در ایستگاه های تقلیل فشار گاز کاربرد دارد چرا که در گذشته در ایستگاه ها مقدار انرژی که از گاز گرفته می شد تا فشار گاز به فشار دلخواه برسد، توسط رگولاتور صورت می پذیرفت که این خود سبب هدر رفتن انرژی می شد، ایـن دستگاه همین مقدار انرژی لازمه را از گاز گرفته با این تفاوت که توسط یک سیستم دوار آن را به سمت یک ژنراتـور بـرق هدایت می کند و در نهایت این انرژی را به انرژی برق تبدیل می کنند. نصب توربین ها می تواند بر اساس دبی و فشار گاز ورودی به هر واحد، متفاوت باشد .به طور معمول در ایستگاه هایی که در آن توربین نصب شده است، به موازات هر توربین یک شیر فشارشکن نصب شود. استفاده از توربین های انبساطی به جای شیرهای فشارشـکن، دارای مزایـایی از قبیـل زیـر میباشد:
-1 بازیافت انرژی با تولید انرژی الکتریکی
-2 تولید انرژی بدون مصرف سوخت
-3 عدم ایجاد آلودگی زیست محیطی -4 در کاهش فشار گاز به وسیله توربین انبساطی، افتدمای معمولاً بیشتری نسبت به کاهش فشار گاز به وسیله فشارشکن
حاصل می شود که از این افت ها، می توان در سرمایش بخش های مختلف صنایع استفاده کرد.
-2 معادلات حاکم بر پژوهش
برای محاسبه کار ایجاد شده توسط توربین نیاز به نوشتن موازنه انرژی بر روی سیستم می باشد .حال با فرض جریان دائم و یکنواخت و داشتن یک ورودی و یک خروجی برای حجم معیار معادله انرژی به صورت معادله (1) خواهد شد.[6]
2
در رابطه فوق :
· hi آنتالپی ورودی گاز
· heآنتالپی خروجی گاز
· v سرعت عبوری گاز در توربین
· m سرعت جرمی گاز
· Q˚ مقدار نرخ انتقال حرارت بین حجم معیار و محیط
· w˚ نرخ تبادل کار بین محیط و حجم معیار می باشد.
· اگر حرارت از محیط به سیستم منتقل شود.
· گر حرارت از محیط به سیستم منتقل شود.
· همچنین اگر حجم معیار بر روی محیط کار انجام دهد
· همچنین اگر حجم معیار بر روی محیط کار انجام دهد
در اکثر توربین ها نرخ انتقال حرارت به محیط نسبت به نرخ انتقال کار به محیط ناچیز بوده و با تقریـب خـوبی مـی تـوان تحول داخل توربین را آدیاباتیک در نظر گرفت .در مورد گازها نیز تغییر انرژی پتانسیل در مقایسه با سایر انـرژی هـا قابـل صرف نظر می باشد.
همچنین فرض می شود که سطح مقطع ورودی و خروجی توربین برابر بوده و بنابراین تغییر سرعت گاز در عبور از تـوربین رخ نمی دهد .با این شرایط معادله بقای انرژی به شکل زیر ساده می شود :
که در آن ho آنتالپی سکون سیال میباشد .رابطه فوق بیانگر میزان کار حاصل از عبور گاز در توربین می باشد که می توان از آن توسط ژنراتور انرژی الکتریکی بدست آورد.
برای محاسبه آنتالپی گاز بایستی از یک معادله حالت مناسب برای گازها استفاده کرد که علت استفاده از معادله حالـت بـه خاطر رفتار متفاوت با حالت ایده آل گاز است .معادلات حالت مختلفی برای بیان خواص گاز و مـایع مطـرح شـده انـد کـه میتوان به معادلات حالت واندروالس1، معادله حالت گاز ایده آل، معادله حالت ردلیچ کوانگ2، معادلـه حالـت سـه پـارامتری
اشمیت-ونزل3، معادله حالت سوواو -ردلیچ -کوانگ4 و معادله حالت پنگ-رابینسون 5 نام برد .از میان معادلات حالات ذکـر شده، معادله حالت پنگ - رابینسون نتایج قابل قبول تری برای گاز می دهد، بنابراین در این پژوهش از این معادلـه حالـت استفاده شده است.
-1-2 معادله حالت پنگ – رابینسون
فرم کلی معادله حالت پنگ - رابینسون به شکل زیر می باشد:
در رابطه فوق:
· a,b ثوابت قابل محاسبه اند.
· V حجم مولی
· R ثابت جهانی گاز
· P فشار
در صورتی که بخواهیم از معادله حالت پنگ و رابینسون استفاده کنیم آنتالپی و آنتروپی انحراف از حالت ایده آل به صورت روابط((4 و (5) خواهند شد.
