بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از توربو اکسپندر به جای رگولاتور فشار - فشار شکن - در ایستگاههای تقلیل فشار گاز شهری بحث اصلی این مقاله است. در این حالت به جای هدر رفتن اکسرژی گاز شهری میتوان در یک توربو اکسپندر - - Turboexpander علاوه بر کاهش فشار گاز، کار مکانیکی تولیدی را با وصل نمودن آن به یک ژنراتور به برق تبدیل کرد. در این مقاله همچنین گاز ورودی به توربو اکسپندر توسط انرژی زمین گرمایی محل که توسط یک ترموسیفون بلند با جریان دوفازی بسته به سطح زمین انتقال مییابد پیشگرم میشود. بدین طریق از پتانسیل انرژی زمین گرمایی محل نیز برای تولید برق استفاده میکنیم. در این مقاله در ابتدا با معرفی و بحث در مورد انرژی زمینگرمایی به مطالعه چگونگی استفاده از آن برای پیشگرم کردن گاز ورودی میپردازیم و در ادامه مطالعاتی روی انواع توربواکسپندرها و مقایسه آنها خواهیم داشت. شبیهسازی طرح مورد مطالعه توسط نرمافزار EES انجام شده و در انتها مقایسهای بین نتایج حاصل از آن و مطالعات محققان قبلی صورت گرفته است.
واژههای کلیدی: تولید توان، توربواکسپندر، انرژی زمین گرمایی، ترموسیفون جریان دوفازی بسته
1 -مقدمه
تحلیل ترمودینامیکی روی توربین انبساطی بیانگر آن است که پیش گرم کردن گاز ورودی به آن توان خروجی را افزایش میدهد. اخیرا آزمایشهایی برروی توربواکسپندرها توسط Pozivil - 2004 - و Kowala - 2009 - ترتیب داده شده است که نشانگر بازدهی گرمایی بالای 70 درصد برای آن است. هدف از تدوین این مقاله امکانیابی استفاده از انرژی زمینگرمایی به منظور پیش گرم کردن گاز پر فشار در خط لوله ورودی به شهر و گذراندن آن از یک توربین انبساطی به منظور تولید توان است. چنین طرح پیشنهادی از مزایایی برخوردار است. یک مزیت آن حذف وسایل اختناق خواهد بود که قابلیت کاردهی گاز پر فشار را هدر میدهند و به جای آن تولید توان در توربین انبساطی است. مزیت دیگر استفاده از انرژی تجدیدپذیر و پاک زمینگرمایی در تولید برق خواهد بود.
-2 توربینهای انبساطی
بررسی تاریخچه توربینهای انبساطی، نشان از کاربرد آنها از سالها پیش در سایتهای پتروشیمی و پالایشگاهها دارد، توربینهای انبساطی در سایتهای مزبور معمولا"بصورت کوپل با یک کمپرسور وظیفه برودتی سیالات و گاها" میعان سازی را به عهده دارند، با افزایش هزینه انرژی و ایجاد جذابیت در تامین برق در سایتهای پتروشیمی بصورت مستقل، ایده تامین برق از توربینهای انبساطی قوت گرفت و اولین توربینهای انبساطی کوپل شده با ژنراتورها ساخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است. توربواکسپندرها - توربین های انبساطی - می توانند به عنوان ماشینهای مدرن برای تولید انرژی مفید از فشار گاز یا جریان بخار در حالیکه گاز یا بخار در یک توربین منبسط می شود، استفاده شوند. مدلهای تجاری در حال حاضر بین 75KW تا 25MW انرژی تولید میکنند و کاربردهای زیادی برای آنها وجود دارد. امروزه با تغییر شرایط بازار تقاضا , برای استفاده از توربو اکسپندرها افزایش چشمگیری یافته است. انرژی الکتریکی با استفاده از حرارت به هدر رفته در پروسه های گازی یا تقلیل فشار گاز می تواند بازیابی گردد. توربینهای انبساطی نوع شعاعی1 به خوبی با این بازیافت انرژی سازگار می باشند.[1]
-3کاربردهای توربینهای انبساطی بازیافت توان
در حال حاضر تعداد کاربردهای بازیافت توان 2 برای توربینهای انبساطی پیوسته رو به افزایش است. نیروگاههای3 بزرگ و کوچک، یا درحال کار و یا در آستانه راه اندازی هستند. پتانسیل این کارحقیقتاً در سطح بهره برداری از منابعی همچون انرژی گرمایی اقیانوس، گرمای خورشید، حرارت زمین ، گرمای اتلافی گازطبیعی ، افت فشار گاز اتلافی، و منابع مسلم دیگر می باشد. یکی از کاربردهای توربوماشینها، در بازیافت توان از گرمای درونی زمین1 است.
-4انواع توربینهای انبساطی
بطور کلی سه نوع توربین انبساطی مقیاس بزرگ وجود دارد :
یک نوع توربین پالسی است که در این توربین همه انرژی فشار، به سرعت در دهانه تبدیل می شود. در نتیجه این سرعت بالا جریان به شدت به پره های U شکل در روتور برخورد می کند.[1] توربین واکنشیعموماً کارایی بالاتری دارد، در دهانه های اولیه - ایستاآنفقط - نصف انرژیِ فشارِ جریانِ گاز، به سرعت تبدیل می شود. پره های روتور با سرعتی که با سرعت جریان تمام فورانی گاز هماهنگ است، این جریان پرشدت گاز را دریافت می کنند.یک مدل پیشرفته تر از توربین ها مدل واکنش شعاعی می باشد که در مقایسه با نوع واکنشی خالص، سیستم واکنش شعاعی یک قطر تخلیه کاهش یافته داردتوربین. واکنش شعاعی در بین سه نوعِ موجود پربازده ترین مدل است. این نوع اگرچه در توربین های آبی بزرگ بکار می رود ولی در توربین های بخار بزرگ به دلیل جریان حجمی بالایشان و به این دلیل که سازگاریآن با پیکربندی های چند طبقه ای نسبتاً طاقت فرساست ، بکار برده نمی شود. اگرچه، طراحی واکنش شعاعی به دلایل فوق و دلایل دیگری که درخور توضیح است، برای توربوماشینها به خوبی مطابقت می کند.
-5محاسبات ابعاد و بازده توربواکسپندر
بازده توربینهای انبساطی - توربینهای partial admission axial - نیمه محوری - و توربینهای radial inflow - شعاعی - تابعی از چهار پارامتر اساسی زیر است:
