بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق امکانسنجی استفاده از توربین انبساطی بجای شیر فشارشکن در ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی به منظور بازیابی انرژی جریان گاز مصرفی سیکل توربین گاز نیروگاه شهید سلیمی نکا به منظور راه اندازی یک سیکل تبرید تراکمی و خنک کاری هوای ورودی به کمپرسور توربین گاز در یک سیستم هیبرید توربین انبساطی، توربین گاز و سیکل تبرید تراکمی مورد بررسی قرار گرفته است. از انرژی حرارتی موجود در گازهای خروجی توربین گاز نیز برای پیشگرمایش گاز ورودی به توربین انبساطی استفاده شده است. دادههای هواشناسی مربوط به منطقه از ایستگاه هواشناسی بندر امیرآباد برای یک دوره سیزده ساله استخراج شد و اطلاعات مربوط به دبی مصرفی گاز و فشار ورودی مربوط به ایستگاه تقلیل فشار مورد نظر برای سال 1396 استخراج و مورد استفاده قرار گرفت. نتایج بدست آمده توانمندی سیستم ارائه شده برای تولید توان سرمایشی و افزایش راندمان سیستم در ماههای گرم سال را نشان داد. همچنین استفاده از توان حرارتی اتلافی در گازهای خروجی توربین گاز و همچنین به کارگیری توربین انبساطی برای استفاده از انرژی موجود در گاز فشار بالای شبکه سراسری کمک شایانی در راستای بازیابی انرژی و جلوگیری از هدر رفت آن نموده است. نتایج بصورت نمودارهایی برای توان پیش گرمایش توربین انبساطی، توان مکانیکی تولیدی توربین انبساطی، راندمان الکتریکی و تولید توان سرمایشی در قالب نمودارهایی برای ماههای گرم سال 1396 به تفکیک گزارش گردیده است.
واژگان کلیدی: ایستگاه تقلیل فشار گاز، توربین انبساطی، تولید همزمان، بازیابی انرژی، خنککاری هوای ورودی
مقدمه
بازیابی انرژی از شبکه توزیع گاز طبیعی یک راهبرد برای داشتن انرژی پایدار در مناطق شهری است. فرآیند تقلیل فشار گاز طبیعی با استفاده از ابزارهای معمول نظیر شیرهای اختناقی انجام میشود که اگر با توربینهای انبساطی ترکیب شوند میتوان انرژی این افت فشار را بازیابی نمود. در این فرآیند گاز طبیعی برای جلوگیری از تشکیل هیدرات متان باید پیشگرم شود که دمای پیشگرم پارامتر مهم در فرآیند بازیابی است و بستگی به منبع گرمای آنتالپی پایین ترکیب شده دارد. خلیلی و هیباتیان - خلیلی و هیباتیان، - 2009 به ارزیابی بازیابی انرژی از ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی توسط توربین انبساطی و پتانسیل آن در ایران پرداختند. انرژی زیادی در فرآیند بازگشتناپذیر شیرهای اختناقی تلف میشود که با استفاده از توربین انبساطی بجای شیرهای اختناقی میتوان این انرژی گرمایی اتلافی را به انرژی مکانیکی تبدیل نمود. در این مطالعه مدلی کامپیوتری برای بررسی استفاده از توربین انبساطی و بررسی پارامترهای اثرگذار بر آن مورد استفاده قرار گرفته است.
امکانپذیری استفاده از انرژی خورشیدی بر ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی توسط فرزانهگرد و همکارانش - فرزانهگرد، - 2011 انجام گرفته است. گرمایش با دمای پایین برای پیشگرمایش گاز طبیعی در ایستگاههای تقلیل فشار مورد نیاز است که یک محموعه کلکتور خورشیدی به عنوان جایگزین سوختهای فسیلی برای این پیشگرمایش پیشنهاد شده است. این کار مستلزم طراحی جدید و اصلاح ایستگاه ها برای استفاده از مزیت انرژی خورشیدی رایگان است.
روموکی و همکارانش - Romocki et al, 2018 - راهحلی غیرمستقیم برای کاهش انتشار دیاکسید کربن از شبکه توزیع گاز و بهبود راندمان آن پیشنهاد دادهاند. یک هیتر ترموسیفون شناور برای اینکار پیشنهاد داده شده است که راندمان بالایی دارد. استفاده از بخار دما پایین راهحلی دقیق برای رفع این مشکل است. هیتر ترموسیفون شناور دارای بازده متوسط 90 درصدی است. ارزیابی عملکرد ایستگاه تقلیل فشار گاز طبیعی ترکیب شده با کلکتورهای سهموی خورشیدی توسط کاسیو و همکارانش - Cascio et - al, 2018 انجام گرفته است. همچنین، سیستم با مخزن ذخیره انرژی گرمایی کوپل گردیده است. عملکرد انرژی و محیطی این ساختار جدید با استفاده از مدل سیمولینک در نرمافزار متلب انجام گرفته است. مقدار انرژی ذخیره شده برای سه شهر اروپایی محاسبه شده است. کاسیو و همکاران - Cascio et al, 2017 - یک مدل بهینه چند منظوره را برای شبکه برق، گاز و گرمایش شهری پیشنهاد دادند. سیستم اصلی شامل ایستگاه تنظیم فشار گاز طبیعی بهینه شده است که یک توربین انبساطی انرژی اتلافی آن را بازیابی مینماید. پیشگرمایش گاز با سوخت فسیلی یا تجدیدپذیر انجام میگیرد. شبیهسازی عددی با استفاده از نرمافزار انجام گرفته است.
بورلی و همکارانش - Borelli et al, 2018 - به بررسی بازیابی انرژی از ایستگاه تقلیل فشار گاز طبیعی پرداختند. در این مطالعه امکان ترکیب ایستگاه تقلیل فشار با منابع گرمای دما پایین بررسی شده است. بطور خاص، ساختار یک نیروگاه جدید شامل سیستم انبساطی دو مرحلهای معرفی شده و عملکرد انرژی آن با شبیهسازی عددی مورد ارزیابی قرار گرفته است. خطر تشکیل هیدرات متان برای شرایط کاری مختلف و رفتارهای گذار مورد ارزیابی قرار گرفته است. تحلیل انرژی و اگزرژی تولید برق از ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی توسط نسلی و همکارانش - Neseli et al, 2015 - انجام گرفته است. هدف اصلی پژوهش، انجام یک مطالعه موردی برای محاسبه تولید برق از یک ایستگاه تقلیل فشار در شهر ازمیر ترکیه بوده است. انرژی ایستگاه تقلیل فشار با استفاده از توربین انبساطی بجای شیر اختناقی انجام میگیرد. عملکرد اگزرژی آن و راندمان سیستم و هر یک اجزای آن مورد ارزیابی قرار گرفته است.
طراحی جدید نقاط تقلیل فشار گاز طبیعی با استفاده از توربین انبساطی و شبکه گرمایش خورشیدی توسط عرب کوهسار و همکارانش - عرب کوهسار و همکاران، - 2015 انجام گرفته است. اصلاح دو مرحلهای برای اجرا در ساختار ایستگاه تقلیل فشار گاز طبیعی پیشنهاد گردیده ست. ابتدا با استفاده از سیستم گرمایش خورشیدی مصرف سوخت کاهش یافته و سپس با استفاده از توربین انبساطی انرژی سیستم مورد استفاده قرار میگیرد. شبیهسازی سیستم براساس ایستگاه تقلیل فشار بیرجند انجام گرفته است. نوسازی بهینه ایستگاه تقلیل فشار گاز طبیعی برای بازیابی انرژی کاسیو و همکارانش - Cascio et al, 2018 - انجام گرفته است. رویکرد جامع و نو برای نوسازی با درنظر گرفتن مراحل ساختاری انجام گرفته است که شامل چهار فاز است: فعالیتهای پیش از نوسازی، طراحی اولیه و اجرایی پروژه، اجرای آن و فعالیتهای پس از نوسازی. مدل بهینه سازی امکان بازیابی بیشترین انرژی را فراهم میکند. اندازه توربین انبساطی نقش مهمی در بازیابی انرژی را دارد.
ذبیحی و تقیزاده - ذبیحی و تقیزاده، - 2015 یک کنترلر جدید برای ذخیره انرژی گرمکن در ایستگاه گاز طبیعی پیشنهاد دادهاند.پیش-گرم کردن گاز در ایستگاه تنظیم فشار سبب مصرف سوخت فراوانی میشود که با نصب کنترلر جدید این مصرف انرژی کاهش مییابد. ایستگاه با استفاده از نرمافزار هایسیس مدلسازی شده است. نتایج بیانگر کاهش قابل توجهی در مصرف سوخت پس از نصب کنترلر جدید است. فرزانه گرد و همکارانش - فرزانه گرد و همکاران، - 2014 به بررسی انرژی و اگزرژی ایستگاه تقلیل فشار گاز طبیعی با گرمایش خورشیدی پرداخته اند. گاز با استفاده از هیتر از نوع حمام گرم، پیش گرمایش میشود که این گرما توسط منبع ذخیره انرژی خورشیدی تامین می-گردد. سیستم پیشنهادی بطور کامل مورد ارزیابی قرار گرفته و همچنین از لحاظ مصرف سوخت و اگزرژی با ساختارهای قدیمی و متداول مقایسه و تحلیل شده است. با توجه به بررسیهای مشخص میشود که با اینکه پژوهشهای خوبی در زمینه استفاده از انرژی مستهلک شده در ایستگاههای تقلیل فشار گاز طبیعی انجام گرفته است لیکن بازیابی انرژی بررسی عملکرد دینامیک یک سیستم هیبرید توربین انبساطی و توربین گاز انجام نشده است. در مقاله حاضر به ارائه نتایج تحقیقی که برای نصب این سیستم برای سیکل توربین گاز نیروگاه شهید سلیمی نکا برای فصول گرم سال انجام شده است میپردازیم.
بیان مسئله
سیستم مورد نظر 1 از چند قسمت اصلی تشکیل شده است. توربین گاز، سیستم سرمایش تراکمی و توربین انبساطی بخشهای اصلی مورد نظر میباشند. گاز طبیعی با فشار بالا در ایستگاه تقلیل فشار گاز به جای شیر فشارشکن توسط یک توربین انبساطی به فشار مورد نیاز توربین گاز میرسد. در حین این کاهش فشار توان مکانیکی توسط توربین تولید میگردد. این توان مکانیکی تولیدی کمپرسور یک سیکل سرمایشی تراکمی را تامین میکند. سیستم سرمایش نقش کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور توربین گاز را ایفا نموده که کاهش این دما موجب کاهش توان مصرفی کمپرسور و افزایش راندمان توربین گاز میگردد. لازم به ذکر است که گاز مصرفی ضمن تقلیل فشار در توربین انبساطی با کاهش دما مواجه شده که برای جلوگیری از ایجاد میعان، پیش گرمایش مورد نیاز میباشد. انرژی مورد نیاز برای این پیشگرمایش از گازهای دما بالای خروجی توربین گاز تامین میگردد.
اطلاعات مربوط به ایستگاه تقلیل فشار مورد نظر
اطلاعات مربوط به دمای هوای منطقه از ایستگاه هواشناسی بندر امیرآباد دریافت شده و تحلیلهای مورد نظر بر این اساس صورت پذیرفت. شایان ذکر است که دمای میانگین ارائه شده در شکل 2 میانگین دمای هوای سالهای 1384 تا 1396 میباشد.
