بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر استفاده از ظرفیت برودت خروجی ایستگاه تقلیل فشار گاز نیروگاه شهید منتظری اصفهان برای خنک کاری تأسیسات ساختمانی نیروگاه در فصل تابستان بررسی شده است. در این طرح با نصب مبدل حرارتی در مسیر گاز خروجی ایستگاه تقلیل فشار گاز داخل نیروگاه، اقدام به خنک کاری آب میشود. از این آب میتوان در سیستم خنک کاری اتاق فرمانها و سایر بخشهای مورد نیاز استفاده کرد. نتایج محاسبات نشان داد که به منظور به حداقل رساندن سطح تبادل حرارت، بهترین دبی آب در مبدل حرارتی حدود 22 kg/s است.
در این حالت ظرفیت خنککاری برابر kW ٌَْ است. با توجه به ظرفیت برودتی مورد نیاز در تأسیسات فاز یک نیروگاه - حدود kW ًٍَ - ، همه بار برودتی مورد نیاز تأمین خواهد شد. در این طرح دمای گاز ورودی به بویلر نیز افزایش مییابد. در نتیجه مصرف سوخت کاهش مییابد - به عبارت دیگر ظرفیت برق تولیدی افزایش مییابد - . علاوه-براین، به واسطه حذف سیستم خنک کاری قدیمی - جت چیلر بخاری - و حذف بخار مصرفی آن، برق تولیدی افزایش خواهد یافت. با انجام محاسبات مربوطه و قیمت برق در بازار ایران، درآمد حاصل از فروش این برق مازاد تولیدی در طول یک سال برابر 1687 میلیون ریال خواهد بود. علاوه براین، میزان تولید CO2 در طول یک سال به مقدار ton ُ / َّْ کاهش مییابد.
-1 مقدمه
ارتباط تنگاتنگ افزایش راندمان سیستمهای تبدیل انرژی و کاهش نرخ تولید گازهای آلاینده محیط زیست و نیز افزایش روز افزون اهمیت حفظ محیط زیست باعث افزایش عمق تحقیقات در زمینه کاهش تلفات انرژی شده است. در سالهای اخیر موضوع انرژی به یکی از اصلیترین مباحث تحقیقاتی و سیاسی تبدیل شده است. نتیجه همه این نگرانیها و اهمیت این حیطه به افزایش سرمایهگذاری در زمینه انرژیهای تجدیدپذیر منجر شده است .[1] در حال حاضر با افزایش عمق نفوذ انرژیهای تجدیدپذیر در همه جوانب زندگی مواجه هستیم. در این میان، بسیاری از روشهای سنتی تبدیل و مصرف انرژی نیز همچنان ادامه دارند. هرچند سهم سوختهای فسیلی در آینده در حیطههای مختلف کم رنگتر خواهد شد،
اما گاز طبیعی و سایر فرآوردههای سبک وابسته - مانند LNG و - LPG جزء منابع تأمینکننده انرژی در بسیاری از کشورها - مخصوصاً کشورهای کمتر توسعه یافته و در حال توسعه - خواهند بود. البته، به دلیل متناوبی بودن در دسترس بودن منابع انرژی تجدیدپذیر - مانند انرژی خورشید و باد - و هزینههای زیاد ذخیرهسازی آنها، در کشورهای توسعه یافته نیز تا سالهای آینده این نوع سوختهای فسیلی استفاده خواهند شد .[2] با توجه به روشهای موجود برای انتقال گاز طبیعی از پالایشگاهها تا نقاط مصرف - مانند شهرها و کارخانجات - ، استفاده از خط لوله بهترین روش است .[3] در این روش، برای کم کردن تلفات اصطکاکی سیال در حال عبور از خط لوله، حجم گاز کم و در نتیجه سرعت آن کاهش مییابد.
به منظور فراهم کردن این شرایط، باید فشار گاز افزایش یابد. بسته به طول خط لوله انتقال گاز طبیعی، از تعدادی ایستگاه تقویت فشار گاز طبیعی استفاده می-شود. معمولاً فشار گاز در خطوط اصلی انتقال بین 45 تا 68bar است .[3] در ایستگاههای تقویت فشار انرژی زیادی صرف افزایش فشار گاز میشود. با توجه به مقیاس بالای میزان انرژی مصرفی در این ایستگاهها، لذا معمولاً
از توربین گاز برای به حرکت در آوردن کمپرسورهای مربوطه استفاده میشود .[4] با توجه به قوانین ترمودینامیک، با افزایش فشار سیال، دمای آن نیز افزایش مییابد. این در حالی است که دمای بالاتر باعث کاهش چگالی و در نتیجه افزایش حجم سیال میشود.
بنابراین بعد از تراکم سیال در ایستگاه تقویت فشار، دمای آن نیز باید کاهش یابد. برای این کار معمولاً از کولرهای هوایی استفاده میشود. دمای گاز در خروجی کمپرسور ایستگاههای تقویت فشار مختلفمتفاوت است، اما معمولاً تا C ًْ نیز افزایش مییابد .[5] با استفاده از سیستم خنککن، دمای خروجی گاز از ایستگاه تقویت فشار معمولاً تا حدود C ًِ کم میشود. در آن سوی خطوط انتقال، با رسیدن گاز طبیعی به نزدیک نقاط مصرف، فشار گاز باید متناسب با فشار مورد نیاز مصرفکننده کاهش یابد. ایستگاههای دروازه شهری - CGS - بیشترین تعداد ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی را به خود اختصاص میدهند .[6] از این ایستگاهها برای تأمین سوخت مصرفی واحدهای مسکونی و تجاری پراکنده استفاده میشود. برای واحدهای صنعتی که مصرف سوخت آنها زیاد است، از ایستگاههای تقلیل فشار اختصاصی استفاده میشود. یکی از این واحدها نیروگاههای حرارتی مانند نیروگاههای سیکل بخار، توربین گاز و سیکل ترکیبی هستند.
با توجه به اینکه در بسیاری از کشورها مانند ایران از این نوع نیروگاهها برای تأمین برق پایه شبکه استفاده میشود، لذا معمولاً نوسان بار تولیدی آنها و در نتیجه دبی سوخت مصرفی آنها کم است .[7] در ایستگاههای تقلیل فشار، با استفاده از فرایند فشارشکن - یا تروتل کردن - ، اقدام به کاهش فشار گاز طبیعی تا سطح مورد نیاز می-شود. فرایند کاهش فشار یک فرایند انتالپی ثابت است .5[] با توجه به اینکه این فرایند معمولاً بیدر رو است، لذا تغییرات دمای سیال تابع ضریب ژول- تامسون خواهد بود .[8] از طرفی ضریب ژول- تامسون گاز طبیعی مثبت است،
لذا در حین فرایند کاهش فشار، دمای آن نیز کم میشود - برعکس فرایند افزایش فشار که با افزایش دما همراه است - . به دلیل طولانی بودن خطوط انتقال دمای گاز طبیعی در ورودی ایستگاههای تقلیل فشار تقریباً برابر دمای زمین است. با توجه به اختلاف فشار زیاد در دو سمت شیرهای تروتل ایستگاه تقلیل فشار، لذا در صورتی که اقدام به گرم کردن گاز قبل از ورود به شیر تروتل نگردد، دمای خروجی به کمتر از C میرسد. یکی از مشکلاتی که در این حالت به وجود میآید، تولید هیدرات است. این ماده مضرات زیادی به همراه خواهد داشت. بنابراین، جهت به حداقل رساندن سوخت مصرفی هیترها، حداقل دمای ممکن در خروجی ایستگاه تأمین میشود. این دما معمولاً بین C ُ تا C ْ است .[9]
در ادامه خلاصهای از برخی مطالعات انجام شده در این زمینه ارائه میشود. هووارد - Howard - و همکاران [10] نصب یک توربواکسپندر در یک CGS کوچک در کانادا را مورد ارزیابی قرار دادند. آنها ضمن پیشنهاد استفاده از پیل سوختی برای استفاده از انرژی سوخت مصرفی در هیتر ایستگاه، به این نتیجه رسیدند که افزودن این سیستم به ایستگاه باعث افزایش حدود %10 توربواکسپندر میشود. طاهری و همکاران [11] میزان تلفات انرژی در رگولاتور CGS با ظرفیت نامی 420/000SCMH را محاسبه کردند. نتایج این پژوهش نشان داد که تلفات انرژی حاصل از افت فشار NG در رگولاتور با استفاده از مقدار JTتقریباً برابر 40GWh در طول یک سال است. کونوکمن - Konukman - و آکمن [12] - AKman - به بررسی استفاده از شبکههای مبدل حرارتی در واحد توربواکسپندر NG برای بازیابی اتان پرداختند. آنها ادغام این تجهیزات را شبیهسازی کردند تا اثرات روی عملکرد را مطالعه کنند.
آندریا - Andrei - و همکاران [13] و تالشیان و همکاران [14] نیز در خصوص استفاده از توربواکسپندر در CGSها مطالعاتی انجام دادهاند. زهتابیان و صفار اول [15] به بررسی CGS شهر قزوین با جریان حدود 20/000SCMH پرداختند. آنها ضمن بررسی پارامترهای مختلف و تأثیرشان در عملکرد، به این نتیجه رسیدند که نوسانات دبی گاز، راندمان توربواکسپندر را تحت تأثیر قرار میدهد. طبق محاسبات آنها، بازده واقعی توربواکسپندر برابر %67/79 است، که با فرض دبی نامی، بازده برابر %80 است. ذبیحی و تقیزاده [16] ایستگاه CGS آکند را در نرمافزار HYSYS شبیهسازی کردند. آنها با استفاده از معادلات حالت - PR - Peng-Robinson و SRK ، میزان کاهش تلفات و مزایای اقتصادی نصب کنترلر جدید را محاسبه کردند.
برای انتخاب معادله حالت، مقادیر دادههای دمای واقعی ثبت شده در ایستگاه با اطلاعات استخراجی از شبیهسازی مقایسه شد. این نتایج نشان داد که معادله PR انحراف کمتری نسبت به اطلاعات واقعی دارد. ویسی و همکاران [17] معادلات PR، SRK و AGA8 را برای محاسبه تلفات انرژی در یک هیتر در یک ایستگاه CGS استفاده کردند. آنها با مقایسه نتایج حاصل از این معادلات به این نتیجه رسیدند که استفاده از AGA8 برای محاسبه دمای NG ورودی به رگولاتور، کمترین انحراف را با اطلاعات اندازهگیری شده در ایستگاه دارد. ذبیحی و تقیزاده [18] به امکانسنجیبازیافت انرژی در ایستگاه CGS ساری-اکند با استفاده از توربواکسپندر پرداختند. آنها ضمن بررسی و انجام محاسبات، به این نتیجه رسیدند که میزان برق تولیدی توربواکسپندر در طول یک سال برابر 302GWh است. دوره برگشت سرمایه برای نصب این توربواکسپندر برابر 12/9 سال محاسبه شد. فرزانه گرد و همکاران [19] به بهینهسازی موتور انبساطی رفت و برگشتی در یک ایستگاه TBS پرداختند.
آنها استفاده از موتور انبساطی رفت و برگشتی فشار متوسط یک طرفه را با شبیهسازی ترمودینامیکی بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که استفاده از موتور انبساطی در ایستگاههای TBS، راندمان بازیابی انرژی فشاری حدود %91 است. عرب کوه سر و همکاران [20] تولید توان از فرایند انبساط گاز را با استفاده از سیستم تولید همزمان حرارت و توان - CHP - از لحاظ انرژی و اقتصادی تحلیل کردند. آنها نشان دادند که اگر مقدار گرمایش نسبی بیشتر از 0/35 باشد، استفاده از این سیستم از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است. کوستوسکی - Kostowski - و همکاران [21] به ارزیابی هزینه ترمودینامیکی تولید برق در فرایند کاهش فشار گاز طبیعی پرداختند.
آنها از دو اصل Thermo-Economic و Thermo-Ecological در این مطالعه استفاده کردند. طبق نتایج این پژوهش، میزان TEC برای توربواکسپندرهای عادی برابر 2/42kJ/kJ ، برای حالت با CHP برابر 1/77 و برای ایستگاههای فشار متوسط توزیع برای مصرفکنندهها برابر 1/022 است. نسلی - Neseli - و همکاران [22] به تحلیل انرژی و اگزرژی تولید برق از ایستگاههای کاهنده فشار گاز طبیعی پرداختند. براساس نتایج این مقاله، میزان تولید برق در این ایستگاه برابر 6365/34MWh است. میانگین ضریب انتشار CO2 نیز برابر 295/45kg/MWh خواهد بود. همانطور که مشاهده میشود، در اکثر مطالعات انجام شده در زمینه افزایش راندمان ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی، موضوع بازیافت انرژی اتلافی در هیتر و اگزرژی اتلافی در شیر تروتل مدنظر قرار گرفته است. تلفات اگزرژی در شیر تروتل معمولاً اصلیترین سهم تلفات را به خود اختصاص میدهد. لذا، مطالعات در زمینه استفاده از توربین انبساطی نیز بیشترین طرفدارها را در بین پژوهشگران داشته است.
علاوهبراین، روشهای متعددی نیز جهت افزایش راندمان هیتر گرمکن ایستگاه و کاهش سوخت مصرفی آن پیشنهاد و بررسی شده است. در این میان، روشهایی مبنی بر استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر - انرژی خورشیدی و زمین گرمایی - نیز به چشم می-خورد. در مقاله حاضر، موضوع استفاده از ظرفیت برودتی مسیر خروجی از ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی در نیروگاه منتظری مورد ارزیابی قرار گرفته است. به منظور خنک کاری برخی ساختمانهای حساس و نیز ساختمانهای مسکونی در سطح نیروگاه، از سیستمهای خنککاری استفاده میشود. با توجه به دمای مناسب خروجی از ایستگاههای تقلیل فشار گاز نیروگاه 4 - تا C ْ - در فصل تابستان و نیز دبی زیاد گاز طبیعی - حدود
