بخشی از مقاله
چکیده
در مطالعه حاضر روشهای نوین بازیافت انرژی از گازهای خروجی توربینهای گازی در ایستگاههای تقویت فشار گاز بررسی شده است. سیکل مورد بررسی، واحد تولید سه گانه با استفاده از توربین و چیلر جذبی و سیکل ارگانیک رانکین می باشد. روش مطالعه، بهینهسازی تک هدفه سیستم تولید همزمان سرمایش، حرارت و توان میباشد. ابتدا مدلسازی ترمودینامیکی، تعیین روابط ترمودینامیکی مربوط به اجزای سیکل، آنالیز اقتصادی سیکل و انتخاب تابع هدف انجام گرفته است. سپس بر اساس روابط حاکم، یک برنامه کامپیوتری در محیط متلب تهیه شده است و با اجرای آن برای سه سیال ارگانیک دی کلروتری فلوئورو اتان، و تترا فلوئورو اتان و پنتا فلوئورو پروپان، پارامترهای موثر در تابع هدف بدست آمده است. در پایان با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ژنتیک، با کمینه کردن تابع هزینه سالیانه سیکل، شرایط بهینه تعیین شده است. پس از تحلیل نتایج، مشخص شده است که سیال دی کلروتری فلوئورو اتان از نظر اقتصادی، راندمان بالاتری دارد. همچنین نشان داده شده است که استفاده از چیلر جذبی علاوه بر کاهش هزینه باعث افزایش راندمان اگزرژی نیز میشود.
-1 مقدمه
با صنعتی شدن جوامع استفاده از انرژی به مقدار بالایی افزایش یافته است. اما مشکلات زیست محیطی و خواست جوامع برای حصول کیفیت بهتر زندگی مانع از گسترش منابع انرژی شده است. از این رو، به جای گسترش منابع انرژی با قابلیت استفاده مجدد، بازیافت حرارت اتلافی و ترکیب سیستمهای انرژی، راه حلی برای بهرهبرداری بهینه از منابع محدود انرژی موجود خواهد بود. کشور ایران دارای ذخایر عظیم گاز است و برای انتقال پیوسته گاز از مبادی تولید به مراکز مصرف، از خط لوله استفاده میشود. در خط لوله به علت وجود تلفات اصطکاکی، از فشار گاز کاسته میگردد و برای جبران تلفات فشار از کمپرسور جهت متراکم کردن گاز استفاده میشود. به همین دلیل در فواصل مشخص از خطوط لوله اصلی چندین کمپرسور برای متراکم کردن گاز به کار گرفته میشود که مجموعه کمپرسورها به همراه سایر تجهیزات به عنوان ایستگاه تقویت فشار گاز شناخته میشوند. در ایستگاههای تقویت فشار گاز، توربین گازی به عنوان محرک کمپرسورها مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از موضوعات مهم که در ایستگاههای تقویت فشار گاز مطرح میباشد، استفاده از حرارت خروجی توربینهای گازی مورد استفاده در ایستگاه میباشد؛ که بدون در نظر گرفتن راه حل مناسب مقدار زیادی از گرمای مورد نظر تلف خواهد شد. در این زمینه تاکنون مطالعات زیادی انجام شده است که در ادامه برخی از آنها مرور میشود.
فیردوس و همکاران [1] به مدلسازی و بررسی بازیافت حرارت از توربین گاز به منظور تولید همزمان برق و حرارت و استفاده از آن برای سیکل ارگانیک رانکین پرداختند. آنالیز صورت گرفته برای بازیافت حرارت خروجی نشان داد که در هر دو حالت مدلسازی و تجربی، بین 3 تا 8 مگاوات برق تولید میشود که از این میان، سهم سیکل ارگانیک رانکین بین 217 تا 344 کیلووات بود. احمدی و همکارانش[2] یک سیستم ترمودینامیکی سهگانه را مدلسازی کردند و به تجزیه و تحلیل انرژی و اگزرژی و ارزیابی اثرات زیست محیطی و مطالعات پارامتری مرتبط پرداختند. آنها به این نتیجه رسیدند که بازده اگزرژی سیستم تولید سهگانه بالاتر از سیستمهای تولید حرارت و توان است. علیزاده و شاکر [3] به بررسی بازیافت حرارت اتلافی از دودکش توربین گاز در ایستگاه تقویت فشار نمونه، به عنوان منبع حرارت یک سیکل آلی رانکین، جهت تولید برق با استفاده از سیال نرمال پنتان،که سیال رایج مورد استفاده در این سیستم است، پرداختند. در این تحقیق استفاده از سیکل ارگانیک رانکین برای زمان بازگشت سرمایهی زیر 7 سال پیشبینی شده است. ال سلیمان و همکاران [4] نشان دادند که با استفاده از سیستم سه گانه پیل سوختی و ارگانیک افزایش بازدهای در حدود%22 برای سیستم سه گانه نسبت به سیستم تولید همزمان ایجاد میشود. در این حالت ماکزیمم بازده واحد سه گانه%74 و%71 برای واحد دوگانه تولید حرارت، 57% برای واحد دو گانه تولید سرما و%46 برای تولید یک گانه به دست آمد.
صنایع و احمدی [5] در تحقیقی نشان دادند که بهینه کردن بویلر بازیاب میتواند نقش اساسی در افزایش بازدهی سیکل نیروگاه سیکل ترکیبی داشته باشد. همچنین آنها در مقاله دیگری [6] بهینه سازی یک نیروگاه سیکل ترکیبی با بویلر بازیاب یک فشاره را با یک تابع هدف جدید که شامل قیمت تلفات اگزرژی بود انجام دادند. علاوه بر آن تغییرات هر یک از متغیرهای تصمیم گیری با تغییر قیمت واحد سوخت نیز مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. عبدالهی و مرآتیزمان[7] بهینهسازی چند هدفه یک سیستم سهگانه ظرفیت پایین را با در نظر گرفتن دو جنبه ترمودینامیکی و اقتصادی انجام دادند. ابراهیمی و همکارانش[8] مدلسازی و بهینهسازی یک سیستم سهگانه و تحلیل انرژی و اگزرژی آن را انجام دادند. صیادی و عبدالهی[9] برای تعیین پارامترهای طراحی تولید بهینه انرژی از الگوریتم ژنتیک استفاده کردند. ساهو [10] تجزیه و تحلیل و بهینه سازی خود را بر روی یک سیستم تولید همزمان با مشخصات تولید برق 50MW و 15 بخار در فشار2/5 انجام داد. بهینه سازی اگزرژی اقتصادی او نشان داد که هزینه تولید برق 9/9% پایینتر برای مورد بهینه در ترمهای اگزرژی اقتصادی مورد پایه است.
صنایع و حاجعبدالهی[11] مدلسازی حرارتی سیستم سهگانه کوپل شده با پنلهای خورشیدی را انجام دادند و برای تعیین مقادیر بهینه پارامترهای طراحی از الگوریتم ژنتیک استفاده کردند. با توجه به بررسی و مرور انجام شده روی تحقیقات در دسترس، تاکنون بهینهسازی اقتصادی سیستم سه گانه تولید همزمان حرارتی، الکتریکی و مکانیکی با سیکل ارگانیک و چیلر جذبی انجام نشده است. لذا در این مطالعه، به تحلیل انرژی، اگزرژی، اقتصادی و بهینهسازی بازیافت انرژی از گازهای خروجی توربینهای گازی در ایستگاههای تقویت فشار گاز پرداخته میشود.
-2 مدل سازی ترمودینامیکی
منظور از مدلسازی ترمودینامیکی به دست آوردن کلیه خواص ترمودینامیکی در نقاط مختلف سیکل است. این خواص شامل دما، فشار و حجم، آنتالپی و... میباشند. شماتیک سیکل مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است.
-1-2 مدل سازی کمپرسور
با در نظر گرفتن یک حجم کنترل در اطراف کمپرسور، هوا با فشار محیط و دمای محیط - T1 - وارد کمپرسور میشود. دمای خروجی کمپرسور - T2 - تابعی از بازده آیزنتروپیک کمپرسور - ηAC - ، نسبت فشار کمپرسور - rc - و نسبت گرمای ویژه است. با در نظر گرفتن حجم کنترل برای کمپرسور دمای خروجی کمپرسور و کار کمپرسور به صورت زیر محاسبه میشود :[12]
