بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق از روش بهینه سازي ترمواکونومیکی - زیست محیطی که ترکیبی از مفاهیم ترمودینامیکی، زیست محیطی و بهینه سازي اقتصادي می باشد براي تحلیل یک نیروگاه با نگاه ویژه به مبدل آن استفاده شده است. بعد از تشکیل مسئله بهینه سازي یعنی فرمول بندي مبدل، تحلیل ترمودینامیکی، اقتصادي و زیست محیطی، بوسیله روش الگوریتمهاي تکاملی که جزء روشهاي فرا ابتکاري بسیار کارآمد در زمینه جستجوي پاسخهاي بهینه یک یا چند هدفه می باشد بهینه سازي گردید و پارامترهاي ساختاري مبدل و ترمودینامیکی سیکل تعیین شد. براي بررسی این سیستم دو سناریو در نظر گرفته شد.
در سناریوي اول متغیرهاي ترمودینامیکی شامل دماي خروجی از محفظه احتراق، راندمان ایزنتروپیک توربین و کمپرسور، نسبت فشار کمپرسور و متغیر هاي ساختاري که شامل قطر داخلی و خارجی لوله هاي مبدل، طول لوله مبدل، گام لوله، قطر داخلی پوسته، قطر خارجی بافل دیسک شکل و قطر خارجی دسته لوله قطر داخلی بافل دونات شکل و قطر داخلی دسته لوله بهینه سازي گردید. در این سناریو راندمان اگزرژتیک سیستم از 28/2 به 36/9 افزایش یافته و هزینه زیست محیطی از 50/26 به 37/13 و هزینه محصول از 2262 به 1936 کاهش یافته است. در سناریوي دوم بعد از بهینه سازي متغیرهاي تصمیم که شامل متغیرهاي ساختاري و عملکردي مبدل می باشد راندمان اگزرژتیک سیستم از 28/2 به 29/2 افزایش یافته و هزینه زیست محیطی از 50/26 به 48/385 کاهش یافته است.
واژههاي کلیدي: بهینه سازي، ترمواکونومیکی، زیست محیطی، مبدل حرارتی، سیکل گازي، ایزنتروپیک، اگزرژي.
-1 مقدمه
هدف از انجام این مطالعه تعیین متغیرهاي تصمیم در سیکل ترمودینامیکی توربین گازي بازیاب و مبدل بازیاب موجود در آن طی فرایند بهینهسازي و تصمیمسازي میباشد. در سیستم تولید توان مورد مطالعه تنها تولید توان از توربین گازي مورد نظر است و برخلاف سیستمهایی نظیر نیروگاه سیکل ترکیبی و سیستمهاي تولید همزمان توان و حرارت از حرارت موجود در گاز خروجی از توربین گاز جهت تولید بخار آب استفاده نمیشود، لذا بازیابی این حرارت در خود سیکل میتواند اهمیت بسزایی در افزایش راندمان داشته باشد. از اینرو متغیرهاي ساختاري و عملکردي مبدل بازیاب علاوه بر متغیرهاي ترمودینامیکی سیکل به عنوان متغیرهاي تصمیم در بهینه سازي وارد شدهاند.
در این مطالعه در انجام بهینه سازي دو سناریو پیگیري میشود. در سناریوي اول متغیرهاي ترمودینامیکی سیکل و متغیرهاي ساختاري و عملکردي مبدل بازیاب به عنوان متغیرهاي تصمیم و بیشینه سازي راندمان اگزرژتیک، کمینه سازي هزینه کلی و قیمت مبدل به عنوان توابع هدف در نظر گرفته می شوند. در این سناریو فرض بر طراحی پایهاي تاسیسات تولید توان میباشد. در سناریوي دوم تنها متغیرهاي ساختاري و عملکرد مبدل بازیاب به عنوان متغیر تصمیم و پارامترهاي ترمودینامیکی سیکل ثابت در نظر گرفته میشوند. در این سناریو با فرض بازسازي تاسیسات موجود قیمت مبدل و راندمان اگزرژتیک کل سیستم توابع هدف می باشند.
براي مدلسازي ترمودینامیکی سیستم انرژي مورد مطالعه از روابط ترمودینامیکی سیکل بازیاب براي مدلسازي اقتصادي از روش تخمین هزینه موسوم به نیازمندیهاي درآمدي کل 1لل1، براي مدلسازي آلودگی زیست محیطی ناشی از احتراق از روابط همبستگی تخمین تولید گازهاي قش و قه و براي مدلسازي عملکرد مبدل از روابط ترموهیدرولیکی مبدلهاي لوله و پوسته با اندکی تغییرات و روش س1شس استفاده می گردد. لازم به ذکر است که مبدل بازیاب مورد مطالعه یک مبدل لوله وپوسته خاص و غیرمی باشد که لازم است روابط ترموهیدرولیکی براي آن توسعه داده شوند. در نهایت مدل جامع سیستم با استفاده از مدلهاي فوق در محیط نرم افزار ABعA1ق پیاده سازي میگردد. نتایج محاسبه بطور پیوسته جهت بهینه سازي به الگوریتم بهینه سازي سپرده می شود. الگوریتم بهینه سازي یک الگوریتم تکاملی جهت بهینهسازي چند هدفه است که مانند مدل سیستم با استفاده از نرم افزار کدنویسی میگردد.
-2 مروري بر پیشینه پژوهش
مفهوم ترمواکونومیک را معرفی نمودند که در آن ناکارآمدي سیستم یک هزینه به حساب میآید. در این روش هزینههاي کلیه جریانهاي فرایندي سیستم به ارزش اگزرژتیکی آنها مربوط میشود. ترمواکونومیک تحلیلهاي سنتی ترمودینامیکی را با ملاحظات اقتصادي در آمیخته آنرا گسترده تر مینماید. این متدولوژي با تمام مزایا اهداف چندگانه دیگر مانند اثرات مخرب زیست محیطی را در بر نمیگیرد. - 1 تلاش براي بهبودروشها را با بررسی و شناسایی اتلافهاي اگزرژي قابل اجتناب و غیر قابل اجتناب نیز انجام دادند. مشکل اصلی راهکارهاي ترمودینامیکی ضعف در بررسی و اداره تعادل بین اهداف متفاوت است.
حتی با وجود تلاشهاي بسیاري که در موارد خاص براي پوشش این ضعف انجام شده است مشکل هنوز پابرجا است. براي حل این مشکل راهکارهاي بهینه سازي مطرح گردیدند.الگوریتمهاي ژنتیکی و استراتژیهاي تکامل هر دو براي بهینه ساختن سیستمهاي انرژي بکار رفتهاند .به عنوان مثال و براي حل مساله بهینه سازي ترمواکونومیک و براي بهینه سازي ترمواکونومیک - زیست محیطی نیروگاه توربین گازي سیکل ترکیبی از الگوریتم ژنتیک استفاده کردند. صیادي سیستم تولید حرارت و توان را با استفاده از الگوریتم ژنتیک تحلیل ترمواکونویک - زیست محیطی کردند.
از الگوریتم ژنتیک در تفسیر شبکه مبدلهاي حرارتی استفاده نمودند. همچنین درکارهایشان استراتژیهاي تکامل را در بهینه سازي نیروگاه سیکل ترکیبی مورد استفاده قرار دادند. نیز براي یافتن تعادل بهینه مابین راندمان انرژي و بازده اقتصادي سیستمهاي حرارتی از الگوریتمهاي تکاملی استفاده نمودند.مبدل مورد بررسی در مطالعه حاضر شکل شماتیک آن در شکل زیر دیده می شود و صورت مساله از مرجع 2 استخراج شده و تابع هدف متمایز با این مرجع با در نظر گرفتن اثرات زیست محیطی در نظر گرفته شده است. - مرجع . - 2
-3 مدلسازي ترمودینامیکی و اگزرژي سیکل عملکرد توربینهاي گاز با تکیه بر مبدل بازیاب
سیکل مورد استفاده در تاسیسات تولید توان ایستگاههاي تقویت فشار، سیکل توربین گاز بازیاب است. براي مطالعه وبهینه سازي سیکل و مبدل بازیاب آن لازم است کل سیکل و عملکرد مبدل بطور کامل مدلسازي گردد. این مدلسازي با استفاده از کدنویسی در محیط نرمافزار ABعA1ق صورت گرفته تا مقادیر مورد محاسبه به الگوریتم بهینهسازي که در محیط ABعA1ق کدنویسی شده است انتقال یابد. در این مطالعه دو سناریو در نظر گرفته شده است:
-1 بهینه سازي همزمان کل سیکل و مبدل بازیاب
-2 بهینه سازي مبدل بازیاب در سیکل با فرض ثابت بودن توان خروجی و پارامترهاي مربوط به سایر اجزاء
تحلیل زیست محیطی
یکی از اهداف این مطالعه بررسی اثرات زیست محیطی سیکل توربین گاز است. این اثر با معیار قه و x قش موجود در گازهاي احتراقی ناشی از سوختن گاز طبیعی در محفظه احتراق که در نهایت در محیط تخلیه میگردد سنجیده میشود. در اینجا یک مدل ساده نیمه تحلیلی براي تخمین دو گاز مذکور که از مهمترین آلایندههاي جوي به شمار میروند معرفی
