مقاله شبیه سازی فرآیند نیروگاههای ترکیبی توربین گاز و پیل سوختی

بخشی از مقاله

چکیده

پیل هاي سوختی اکسید جامد1، به دلیل بازدهی بالا در تبدیل انرژي شیمیاي سوخت هاي فسیلی به انرژي الکتریکی و انتشار ناچیز آلاینده ها، یکی از اولویت هاي تولید توان در آینده هستند. به علاوه قابلیت پیل هاي سوختی اکسید جامد در ترکیب با سیکل هاي قدرت مثل سیکل توربین گاز، سبب شده است که سیستم ترکیبی حاصل به عنوان پیشنهادي براي نیروگاه هاي آینده مدنظر باشد

در این مقاله، یک سیستم ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد در ترکیب با یک سیکل توربینی گاز با بازیاب، در نظر گرفته شده است. با مدل سازي الکتروشیمیایی پیل سوختی و به دست آودن ولتاژ پیل، با انجام تحلیل اکتروشیمیایی پیل سوختی و به دست آوردن ولتاژ پیل، با انجام تحلیل ترومودینامیکی، بازده و توان سیستم ترکیبی به دست آمده است. نتایج نشان می دهند که در یک چگالی جریان الکتریکی و فشار کاري مشخص می توان به بازده حدود 60% رسید.

مقدمه

با توجه به روند رو به رشد مصرف انرژي در جهان استفاده از روش ها و سیستم هاي جدید تبدیل انرژي که عاوه بر بازده بالا داراي آلایندگی پایینی باشند در اولویت قرار گرفته است. یک از این موارد، استفاده از هیدروژن در پیل هاي سوختی است. از میان انواع مختلف پیل هاي سوختی، پیل سوختی اکسید جامد به دلیل دماي بالاي کارکرد آن - حدود - 1000 °C، قابلیت استفاده در سیستمهاي تولید توان و یا تولید همزمان توان و گرما را دارد.

یکی از سیستم هاي جدید، سیستم ترکیبی پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز - SOFC/GT - میباشد. در این سیستم سوخت و اکساینده اي که در پیل واکنش نداده است در دماي بالا از آن خارجی و در محفظه احتراق توربین گاز میسوزد و بخشی از انرژي گرمایی لازم براي آن را فراهم می آورد. این سیستم داراي بازده الکتریکی بالایی است توان تولیدي چنین سیستم هایی در گسترده کیلووات تا چند مگاوات قرار دارد.

برتري دیگر این سیستم، تولید آلودگی بسیار پایین آن نسبت به توان تولید و بازده آن است در سال هاي اخیر پژوهشگران زیادي روي SOFC و سیستم هاي ترکیبی SOFC/GT مطالعه کرده اند. با شروع پژوهش در زمینه تحلیل کارآیی توسط رنگنی، مظفریان، هاروي و ریچر [2]، قابلیت هاي این سیستم جدید براي تولید انرژي الکتریکی و گرماي مورد بررسی قرار گرفت در حال حاضر شرکت هاي زیادي در جهان در حال پژوهش، ساخت و گسترش سیستم هاي ترکیی از این دست می باشند که از جمه شرکت زیمنس – وستینگ هوس را می توان نام برد[3] که مبدع پیل هاي سوختی اکسید جامد لوله اي است و پیل سوختی مورد مطالعه در این مقاله نیز از محصولات این شرکت الگوبرداري شده است.

این شرکت قیمت سیستم ترکیبی خود را در حدود 1320 US$/kW تخمین زده است .[2] با ساخت مکیروتوربین هاي با توان هاي زیر 250 کیلووات و امکان ترکیب عملی آن ها با پیل هاي سوختی موجود، پژوهش هاي در زمینه سیستم هاي ترکیبی شتاب بیشتري گرفته اند. اولین سیستم ترکیبی SOFC و توربین گاز در سال 2000 در مرکز ملی پژوهش هاي پیل سوختی - NFCRC - در دانشگاه کالیفرنیا ساخته شد.

این سیستم داراي توان اسمی 220 کیلووات بود در این سیستم از SOFC لوله اي که در هلند آزمایش شده بود، در یک مخزن تحت فشار استفاده گردید. پس از آن ویو و همکاراش به بررسی وضعیت سیستم هاي SOFC/GT ساخت شرکت زیمنس – وستینگ هوس با توان هاي 110، 220 و 120 کیلووات پرداختند .[5] این سیستم ها از میکروتوربین هایی با کمپرسور گریز از مرکز و توربین شعاعی استفاده می کنند، همچنین سوخت مورد استفاده آن گاز طبیعی است که درون خود SOFC را به هیدورژن تبدیل می کنند.

در سال 2000 پالسون و همکاران [8] یک سیستم ترکیبی 500 کیلوواتی را مورد برسی قرار دادند این سیستم شامل یک SOFC صفحه اي در ترکیب با یک میکروتوربین می باشد بدین منظور آن ها یک مدل گرمایی به موازات یک مدل الکتروشیمیایی براي تحلیل ترمودینامیکی این سیستم ترکیبی ارائه کردند مدل سازي آن ها با استفاده از نرم افزار آسپن2، نشان دهنده بازده بیشتر از 65 درصد براي سیستم مذکور می باشد.

این مقاله پس از معرفی سیستم مورد بحث، به کمک یک برنامه رایانه اي در نرم افزار MATLAB، نمودار تغییرات ولتاژ SOFC در چگالی هاي جریان الکتریکی حاکم بر سیستم، خواص ترمودینامیکی اجزا در نقاط مختلف سیستم به دست آمده اند. با استفاده از این مقادیر بازده و توان تولیدي سیستم ترکیبی محاسبه شده است. همچنین رفتار عملکرد سیستم نسبت به تغییر چند پارامتر مهم بررسی شده است.

طرح کلی سیستم

براي مدل سازي سیستم ترکیبی، نماي شماتیمک سیستم مورد نظر به صورتی که در شکل 1 مشخص شده در نظر گرفته می شود در این سیستم هواي محیط از نقطه 1 وارد کمپرسور شده و تا حالت 2 فشرده می شود هواي فشرده شده وارد بازیاب شده، با جذب گرما از جریان گرم خروجی توربین دماي آن تا نقطه 5 بالا می رود هواي گرم شده در بازیاب، وارد استاك SOFC می گردد و پس از پیش گرم شدن توس گازهاي گرم خروجی از ناحیه احتراقی تا نقطه 7، وارد قسمت کاتد می شود.

لازم به ذکر است که استاك پیل سوختی از اتصال متولی مجموعه اي سلولهاي مجزا تشکیل می شود. از طرف دیگر سوخت خالص در نقطه 16 وارد کمپرسور سوخت شده و تا 9 و 15 فرده می گردد، سپس در نقطه 9 وارد میکسر شده یا بخار و دیگر اجزاي برگشت داده شده از آند مخلوط گشته و از نقطه 10 وارد SOFC با به سازي داخلی میگردد انرژي گرماي مورد نیاز فرآیند به سازي از انجام واکنش الکتروشیمیایی دورن پیل تامین می شود. پس از انجام واکنش الکتروشیمیاي دورن پیل و تولید کار الکتریکی، جریان هواي خروجی کاتد در 8 و جریان گازها خروجی آند در 11 از SOFC خارج می گردد پس از برگشت مقداري از خروجی آند د نطه 12 خروجی آند از 13 وارد ناحیه احتراقی پیل شدهف پس از سوختن تمام هیدروژن، کربن مونوکسید و یا متان باقیمانده در نقطه 14 وارد محفظه احتراق توربی گاز می شود.

سوخت اضاف هم جهت رسیاندن دماي محصولات به دماي مورد نیاز براي ورودي توربین از 15 وارد می شود. محصولات احترا در نقطه 3 وارد توربین شده پس از انجام کار توسط توربین، در نقطه 4 از آن خارج و وارد بازیاب می گردد.

مدل سازي ترمودینامیکی

هر جزء از سیستم شکل1 را به صورت یک حجم کنترل در نظر می گیریم. واکنش به سازي متان توسط بخار از 10 تا 11 انجام می شود و به صورت تعادلی زیر در نظر گرفته می شود:

شکل :1 نماي شماتیک سیستم ترکیبی SOFC/GT

یعنی از لحاظ تئوري هر مول متان 4 مول هیدروژن تولید می کند واکنش اول گرماگیر و واکنش دوم گرماده است. در واکنش به سازي بخار3 - رابطه - 1، x1 مول بر ثانیه هیدروژن تولید می کند. در واکنش x1 مول بر ثاینه گاز کربن مونوکسید و3 x1 مول بر ثانیه هیدروژن تولید می کند در واکنش دگرگونی آب -گازگرگونی آب-گاز 4 - رابطه - 2، X2 مول بر ثانیه گاز کربن مونوکسید با X2 مول بر ثانیه بخار آب واکنش داده و با همین مقدار کربن دي اکسید و هیدروژن در تعادل می باشد. ثابت تعادل براي دو واکنش - 1 - و - 2 - به ترتیب به صورت زیر نوشته می شود:

جدول :1 ثابت هاي محاسبه Kp براي واکنش هاي به سازي

گرماي لازم براي انجام واکنش به سازي از گرماي واکنش الکتروشیمیاي تامین می شود لازم به ذکر است که بخار لازم به ذکر است که بخار لازم براي بهسازي متان از جریان برگشتی خروجی آند

که حاوي مقدار زیاد بخار آب است تامین می شود. براي جلوگیري از تشکیل کربن در حین انجام واکنش - 1 - باید نسبت بخار به کربن که طبق رابطه 6 - تعریف - می شود عدد نسبتاً بزرگی باشد

مقدار گاز خروجی آند که باید بریا تامین مقدار بخار آب فوق برکشت داده شود نسبت بازگردش نام دارد و از رابطه زیر به دست میآید:

نسبت مصرف سوخت در پیل - Uf - به صورت نسبت هیدروژن واکنش داده در آند به هیدروژن ورودي به آند تعریف می شود:    

در سمت کاتد پیل سوختی هم طبق رابطه - 9 - اکسیژن مصرف می شود معیار مصرف اکسیژن در پیل سوختی، با ضریب مصرف هوا به صورت زیر بیان می شود:

با نوشتن معادله بالاننس انرژي براي SOFC، با توجه به شکل - 1 - خواهیم داشت:[10]

که براي به سازي داخلی . Qcell =-Qref    
توان مستقیم تولید شده توسط SOFC از رابطه زیر به دست خواهد آمد:        

که I، جریا الکتریکی پیل است. V از تحلیل الکتروشیمیایی، تابعی به صورت زیر می باشد:

از آن جا که ضریب مصرف هیدروژن همواره کمتر از یک می باشد، خروجی آند حاوي هیدروژن زیادي است. هیدروژن و کربن مونوکسید خروجی از آند که در واکنش الکتروشیمایی شرکت نکرده اند به همراه هواي اضافی خروجی از کاتد وارد ناحیه احتراقی SOFC یا پس سوز شده، تمام هیدروژن، کربن مونوکسید و در صورت وجود متان با اکسیژن سوخته و گرما تولید می کنند. این گرما صرف بالا بردن دماي هواي ورودي به کاتد در پیش گرم کن هوا می گردد. مقدار اکسیژن خروجی از کاتد هم خیلی بیشتر از مقداري است که براي واکنش استوکیومتري در ناحیه احتراقی لازم است.
 
توربوماشین هاي موجود به صورت آدیاباتیک با جریان پایدار تحلیل می شوند[11] همچنین بازیاب به عنوان یک مبدل حرارتی با مبدل حرارتی با ضریب کارآیی نسبتاً بالا در نظر گرفته می شود. سوخت ورودي به سیستم متان فرض می شود توان الکتریکی خالص تولید شده توسط سیکل توربین گاز برابر خواهد بود با:

بیشترین بازدهی ممکن براي یک موتور گرمایی، یعنی وسیله اي که با دو منبع سرد و گرم در تماس بوده و به صورت سیکلی کار می کند - مانند توربین گاز - ، از رابطه کارنو به دست میآید اما در مورد پیل هاي سوختی از رابطه کارنو براي به دست اوردن بیشترین حد بازده استفاده نمی شود. در مورد پیل هاي سوختی براي به دست اورد بییشترین حد بازده، نسبت بیشترین کار الکتریکی تولید شده از جریان سوخت و هوا به بیشترین گرمایی که از سوختن همان سوخت و هوا تولید می شود را در نظر میگیرند. بیشترین کار الکتریکی برابر تغییرات تابع گیبس و بیشترین گرماي حاصل از احتراق سوخت، آنتالپی احتراق می باشد. بنابراین بیشترین بازده برابر است با :

توان الکتریکی جریان متناوب تولید شده توسط پیل سوختی بادر نظر گرفتن بازده مبدل DC/AC، عبارت است از :  

- 15 -     WGT,AC=WFCηcon    

توان الکتریکی خالص تولید شده توسط سیستم ترکیبی و بازده کل سیستم هم به صورت زیر نوشته می شود:      

- 16 -     Wsys= WFC,AC+WGT,AC    

نسبت توان هاي تولیدي پیل سوختی و توربین گاز هم به عنوان نسبت توان معرفی می شود:    WFC , AC          

نتایج بررسی عملکرد سیستم

سیستم سیستم، با فرض اینکه سیال کاري همه جا گاز ایده آل در نظر گرفته می شودو با استفاده از پارامترهاي ثابت مندرج در جدول2 قابل برآورده است.

دماي ورودي کاتد و داي بیشینه SOFC با توجه به توزیع دما روي آند و کاتدSOFC برابر , 1020 0 C ,900 0 C فرض شده اند .[12] ابتدا عملکرد سیستم در نقطه کارکرد آن بررسی شده است که نتایج آن در جدول3 آمده است.