بخشی از مقاله
چکیده
امروزه توجه رو به افزونی نسبت به منابع انرژی تجدید پذیر وجود دارد و حساسیت روی موضوعات زیست محیطی بیشتر شده است. گاز طبیعی به عنوان یکی از پاکترین منابع انرژی به شمار میرود. از آنجایی که ارزش حرارتی گاز طبیعی مایع بیشتر از سوختهای دیزلی میباشد، استفاده از گاز طبیعی مایع به جای سوختهای دیزلی در وسایل نقلیه یکی از راهکارهای موثر برای کاهش آلودگی در کلانشهرها میباشد. به طوریکه در بسیاری از کشورهای توسعه یافته همچون آمریکا، اسپانیا ، سوئد، کانادا، هلند و ... ایستگاههای سوختگیری گاز طبیعی مایع احداث شده است.
از طرفی قیمت گاز طبیعی مایع نسبت به سوختهای فسیلی دیگر ارزانتر بوده و باعث کاهش هزینههای سوخت برای م صرف کننده می شود. در این مطالعه تولید گاز طبیعی مایع در محل ایستگاههای سوخت گیری خودرو بررسی شده است. در این مطالعه، چرخه تبرید آبشاری اتان-پروپان برای سردسازی جریان خروجی از کمپر سور پی شنهاد و برر سی شده ا ست. بهینه سازی این سی ستم از ات صال نرمافزارهای Aspen Hysys و Matlab و ا ستفاده از الگوریتم ازدحام ذرات انجام شده است. نتایج بهینه سازی نشان می دهد که کار مصرفی ویژه، نسبت به حالتی که از چرخه سرمازایی پروپان برای سردسازی جریان خروجی از کمپرسور استفاده شده، 13,04 درصد کاهش یافته است.
مقدمه
امروزه توجه رو به افزونی نسبت به منابع انرژی تجدید پذیر وجود دارد و حساسیت روی موضوعات زیست محیطی بیشتر شده است. با این وجود به عنوان یک راهکار کوتاه و میان مدت، استفاده از گاز طبیعی که از پاکترین سوختهای فسیلی است، در کاهش مشکلات زیست محیطی موثر میباشد .[1] ن سبت انرژی به حجم گاز طبیعی در ف شار و دمای محیط ب سیار پایین ا ست. از این رو ذخیره سازی گاز طبیعی ب صورت عادی و گازی شکل حجم زیادی را اشغال میکند. در نتیجه نیاز است تا به طریقی حجم آن کاهش یابد. روش اقتصادی و مرسوم در دنیا کاهش دمای گاز طبیعی تا مایع شدن آن یعنی رسیدن به دمای -161 درجه سلسیوس میباشد.
یکی از مشکلات عمده در کلانشهرها، آلودگی هوا به دلیل وجود خودروهای باری دیزلی است. ا ستفاده از گاز طبیعی مایع به عنوان سوخت در این و سایل نقلیه، می تواند نویدی برای محیط زیست کشور باشد. در کشورهای توسعه یافتهای همچون چین، آمریکا، ایتالیا، اسپانیا، سوئد، کانادا، هلند و ... ایستگاه های سوختگیری گاز طبیعی مایع احداث شده ا ست. از آنجایی که ایران دارای رتبه اول جهان در برخورداری از منابع گاز است قدم نهادن در احداث این ایستگاه ها باید در دستور کار دولت قرار بگیرد.
به دلیل پیچیدگی و هزینهبر بودن سیستمهای سرمازای دماپایین، در دهههای اخیر بررسی و بهبود عملکرد این سی ستمها توجه محققان زیادی را به خود جلب کرده ا ست . در زمینهی مبردهای بهکار رفته در چرخههای سرمایشی و انتخاب آنها، میتوان به پژوهش انجام شده توسط ونکاتاراتنام [2] اشاره کرد. وی با بررسی تجربی استفاده از مبردهای چند جزیی در سیستم مایعسازی نیتروژن، محدودههای دمایی مناسب برای مبردهای فوق با ترکیبات گوناگون را دست آورد.
در زمینه بهینه سازی سیستم های مایع ساز وایدیارمن و ماراناس [3]، الگوریتمی ارائه کردند که به صورت هم زمان سی ستم سرمازا را بهینه، و مبرد مناسب را انتخاب میکند. تلاش برای کاهش معادلات غیرخطی از طریق ت بد یل و جایگزینی آن ها با م عادلات خطی، ه مان ند استفاده از معادلات مربوط به تراکم ایزنتروپیک برای بدست آوردن توان کمپرسور، از دقت نتایج این پژوهش کاسته است. مکاریزاده و مولا [4] با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ژنتیک به بهینه سازی چرخه مایع ساز یک طبقه ای مبرد چند جزیی در واحدهای قله سایی پرداختند.
در تحقیق آنها مصرف انرژی کمپرسورها به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده است. همچنین با بررسی اتلاف اگزرژی در تجهیزات فرایندی مشخص شد که بیشترین اتلاف اگزرژی در مبدل حرارتی می باشد. عبدالکریم و همکاران [5] سیستم مایع ساز گاز طبیعی با چرخه مبرد چند جزیی و پیش سرمایش پروپانی را بهینه سازی کردند.
آنها با شبیه سازی سیستم در نرم افزار ا سپن های سیس و ات صال آن به ابزار GA در متلب چرخه مورد نظر را به ازای چهار دمای پینچ مختلف، بهینه سازی کردند . شرایط محیطی حاکم بر چرخههای مایعساز با گذر زمان تغییر میکند. به طور مثال، فشار چاههای گاز خوراک، در طول عمر چاه با کاهش مواجه میشود و بنابراین با فشار اولیه که در آن اقدام به بهینهسازی شده است، متفاوت خواهد بود. همچنین دمای محیط که بر دمای گاز خوراک نیز تاثیرگذار است در طول سال تغییر میکند.
در طول عمر چاه، ابتدا ترکیب گاز خوراک شامل مقدار بیشتری از گازهای سبک است، و به مرور زمان وزن مولکولی ترکیب گاز خوراک سنگینتر میشود. بنابراین بهینهسازی برای یک حالت محیطی ثابت، ممکن است با تغییر یکی از پارامترهای محیطی باعث اختلال در عملکرد کل فرایند مایع سازی شود. از اینرو اخیرا، تعداد معدودی تحقیق برای برر سی شرایط محیطی در عملکرد چرخههای مایعساز انجام شده است.
- مرادی و همکاران،[6] - 2015 با استفاده از روش آنالیز حساسیت بیبعد، چرخههای اکسپاندری- نیتروژنی و مبرد چندجزیی یک طبقهای را که از جمله فرایندهای قابل استفاده در حوزه قلهسایی به شمار میآیند، نسبت به تغییر شرایط محیطی و عملیاتی مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج کار آنها نشان میدهد که چرخهی مبرد چندجزیی با وجود توان مصرفی کمتر، در اغلب موارد نسبت به تغییرات محیطی و عملیاتی حساستر بوده و در برخی موارد، اغت شاش ایجاد شده در محدوده مجاز خطای احتمالی و سایل اندازهگیری، سبب اختلال در عملکرد کل فرایند مایعسازی - ورود مایع به کمپرسور - میشود.
کرملو و همکاران [7] به بررسی تاثیر شرایط محیطی و عملیاتی بر روی چرخهی مبرد چند جزیی دو طبقهای پرداختند. برر سی آنها ن شان داد با کاهش دمای محیط و افزایش فشار گاز طبیعی خوراک کار مصرفی ویژه کاهش مییابد. همچنین تغییر درصد مولی متان در ترکیب گاز طبیعی خوراک، تغییرات مح سو سی در کار م صرفی ویژه ایجاد نمیکند.
با این حال کاهش ده در صدی ن سبت مولی متان در گاز طبیعی باعث تداخل دمایی در مبدلهای حرارتی میشود. تحقیقات در زمینه مایع سازی گاز طبیعی در مقیاس های کوچک با کاربرد جایگزینی گاز طبیعی مایع به عنوان سوخت در وسایل نقلیه باری بسیار محدود و کم می باشد. آرتکونی و پولونارا [8] با پرداختن به جنبه های مثبت و منفی جایگزینی گاز طبیعی مایع به عنوان سوخت و سایل نقلیه باری، توجه خا صی به امکان پذیر بودن مایع سازی در ای ستگاه ها دا شته اند.
شرفیان و همکارانش [9]، با مروری بر ای ستگاه های سوخت گیری گاز طبیعی در جهان پی به این قضیه بردند که در اکثر این ایستگاه ها گاز حاصل از جوشش به محیط رها می شود که خود باعث افزایش گازهای گلخانه ای می شود. با وجود رویکرد کشورهای توسعه یافته به جایگزینی گاز طبیعی مایع با گازوئیل، باید در طرحهای جدید از رهایش گازهای حا صل از جو شش جلوگیری کرد. آنکونا و همکارانش [10]، به ارائه یک طرح جدید برای مایع سازی گاز طبیعی در محل ای ستگاه های سوخت گیری پرداختند.
شبیه سازی آن ها با ویژوال بیسیک انجام شده و در تحقیق ای شان آنالیز ترمودینامیکی چرخه انجام شده ا ست. در این مقاله، طرح ارائه شده توسط آنکونا و همکارانش [10] در نرم افزار اسپن هایسیس شبیه سازی شده است. در این مقاله طرح ارائه شده توسط آنکونا با چرخه آبشاری اتان - پروپان بررسی شده است. با جایگزین کردن یک چرخه آبشاری اتان-پروپان به جای سیستم تبرید تراکمی آمونیاکی سعی در بهبود عملکرد سیستم شده است و حداقل فشار در چرخه تبرید برابر با اتمسفر گرفته شده است تا مشکلات نشتی به وجود نیاید و در آخر شرایط بهینه ترمودینامیکی با تابع هدف حداقل کردن کارمصرفی کمپرسور بدست آمده است.
توصیف فرایند
شماتیک طرح پیشنهادی برای فرایند مایع سازی گاز طبیعی در ایستگاههای سوخت گیری در شکل 1 نمایش داده شده است. گاز طبیعی از شبکه توزیع گاز با فشار 30 بار و دمای 20 درجه سلسیوس وارد چرخه مایع ساز میشود. در این چرخه مقداری از گاز به مایع تبدیل میشود و مابقی برای بازیافت انرژی و تراکم دوباره در کمپرسورها مورد استفاده قرار میگیرد. در ابتدای فرایند، گاز طبیعی ورودی با گازی که در انتهای فرایند مایع نشده و بعد از بازیافت انرژی و تراکم در کمپرسورها به ابتدای فرایند برگشته، مخلوط میشود.
جریان حاصل از اختلاط توسط کمپرسورها متراکم میشوند. جریان خروجی از کمپر سور در ق سمت اواپراتور چیلر تراکمی پیش سرد می شود. سپس این جریان وارد مبدل حرارتی میشود و با تبادل حرارت با جریان سرد بازگ شتی به حالت مایع در میآید. به منظور ذخیره سازی گاز طبیعی نیاز است فشار آن با شیر انبساط کاهش یابد.
در این حالت جریان خروجی از شیر به صورت دو فازی میباشد، که قسمت مایع در مخازن ذخیره می شود و ق سمت گازی، که دمای پایینی نیز دارد، با عبور از مبدل حرارتی، جر یان گاز طبیعی خروجی از اواپراتور چیلر تراکمی را به مایع ت بد یل میکند؛ سپس این جریان برای پیش سرمایش گاز طبیعی استفاده می شود و در نهایت توسط کمپرسور دو مرحله ای، فشارش برابر با فشار گاز طبیعی خوراک شده و میتواند با آن مخلوط شود. همان طور که در قسمت قبل اشاره شد چرخه تبرید مورد بررسی در این مقاله، چرخه آبشاری اتان - پروپان است.
