بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به نقش چشمگیر میکروتوربین در تولید پراکندهي همزمان برق و حرارت، بومی سازي تکنولوژي طراحی و ساخت آن در کشور از اهمیت خاصی برخوردار است. تهیه و تدوین یک الگوریتم جامع و کامل می تواند گام بزرگی در این زمینه باشد. در این راستا، الگوریتم کلی طراحی ترمو سیالاتی میکروتوربین 100 کیلوواتی ساخته شده در پژوهشگاه نیرو براي تولید هم زمان برق و حرارت در این مقاله آورده شده است.
مشخصات این سیتم عبارتست از دور کاري 47750 rpm ، تک شفت، سوخت گاز طبیعی، توربین-کمپرسور شعاعی تک مرحله و محفظه احتراق حلقوي می باشند. در مطالعات انجام شده، مشخصات ترمودینامیکی سیکل و بر اساس آن مشخصات اجزاي مختلف سیستم تولید همزمان برق و حرارت ارائه شده است. بر اساس مقادیر طراحی شده انتظار می رود که راندمان سیکل بدون ریکاپراتور در حدود %13 و با ریکاپراتور در حدود %25 باشد.
در مورد راندمان CHP هم تا زمانیکه مبدلهاي حرارتی طراحی نشوند و ضریب کارایی آنها مشخص نشود نمی توان نظر قطعی داد ولی انتظار می رود که براي سیستم فعلی در حدود %72 باشد. لازم به ذکر می باشد که میکروتوربین طراحی شده در مراحل مونتاژ نهایی بوده و هنوز به مرحله تست عملکردي نرسیده است، بنابراین منحنی مشخصه اي کلی سیستم تا زمان نگارش این مقاله بدست نیامده است.
-1مقدمه
امروزه بحث انرژي و بهینهسازي مصرف آن یکی از مهمترین مباحث مطرح شده در بخش مهندسی است. با توجه به قیمت بالاي انرژي و روند رو به کاهش منابع سوخت هاي فسیلی، توجه همگان به استفاده ي بهینه از انرژي و کنترل مصرف آن از طریق استفاده از سیستم هاي با راندمان بالاتر و یا فنآوريهاي جدیدتر معطوف شده است. تحقیقات و پژوهش در این زمینه در کشورهاي صنعتی مدت هاي مدیدي است که آغاز شده و در کشورهاي در حال توسعه نیز گامهاي اولیهي آن برداشته شده است.
طراحی مفهومی و ترمودینامیکی میکروتوربین 100 کیلووات براي تولید همزمان برق و حرارت بر مبناي پتانسیل ساخت داخل کشور با توجه به تغییرات ایجاد شده در ساختار صنعت تولید برق، خصوصی سازي و همچنین اهمیت یافتن مسائل زیست محیطی، تکنولوژي تولید برق به سمت تولیدات پراکنده سوق داده شده است. یکی از مهمترین روشهایی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد، بهره گیري از میکروتوربین-ژنراتورها می باشد.
راندمان بالا و حجم کم در کنار آلودگی کمتر محیط زیست باعث گردیده که امروزه توجه بیشتري به این نوع مولدها صورت پذیرد. از این نوع مولدها می توان در مناطقی که امکان ایجاد واحدهاي نیروگاهی بزرگ وجود ندارد براي پیکزدایی و استفاده در موارد مستقل از شبکه بهره برد.مولدهاي تولید پراکنده ي برق، توانایی تولید بین 3 تا 10 کیلووات براي مصارف خانگی، 50 تا 500 کیلووات براي مصارف تجاري و 1 تا 50 مگاوات براي مصارف صنعتی را دارا می باشند. میکروتوربین ها، که نمونه هاي کوچکی از توربین هاي گازي هستند که گاز و سوختهاي مایع را براي تولید سرعت هاي دورانی بالا جهت به حرکت در آوردن ژنراتور مصرف می کنند.
امروزه تکنولوژي میکروتوربین نتیجه ي کار توسعه یافته بر توربین هاي گاز اتومبیل ها و توربین هاي گاز کوچک ایستگاهی، توربوشارژرها و تجهیزات تولید قدرت کمکی میباشد. امروزه قیمت و مزایاي الکتریسیته ي تولیدي میکروتوربین ها قابل رقابت با منابع دیگر شده است. تاریخچه ي تولید میکروتوربین تجاري در آمریکا به سال 1998 میلادي بر می گردد. گستره ي توان تولیدي میکروتوربین ها بین 30 تا 400 کیلووات توسعه یافته است. در حالی که توربین هاي گاز معمولی بین 500 KW تا 250 MW توان تولید میکنند .[1]
با توجه به موارد ذکر شده، تهیه و تدوین یک الگوریتم جامع، می تواند گام بزرگی در این زمینه باشد. در این راستا، الگوریتم کلی طراحی میکروتوربین تولید همزمان برق و حرارت و تعیین ظرفیت مناسب و نقاط هدف، تهیه شده است. یک نمونه میکروتوربین ساخت شرکت کپستون1 در شکل 1 نشان داده شده است. در شکل 2 شماي کلی سیکل میکروتوربین و در شکل 3 جا نمایی اجزاي در نظر گرفته شده براي میکروتوربین 100 کیلووات نشان داده شده است. همان طور که ملاحظه می شود، هواي ورودي پس از گذر از فیلتر وارد کمپرسور و پس از فشرده شدن از قسمت رکوپراتور عبور می کند.
در این قسمت دماي هوا به واسطه ي دماي گازهاي خروجی از توربین افزایش پیدا می کند. هوا پس از گرم شدن وارد محفظه احتراق شده و پس از ترکیب با سوخت، مشتعل می گردد. هواي مشتعل و داغ با سرعت زیاد به توربین وارد شده و پس از برخورد به پره هاي توربین باعث به گردش در آوردن پرههاي توربین می شود. سپس در انتها گاز داغ از اگزوز وارد قسمت رکوپراتور شده و سیکل به طور پیوسته تکرار میگردد. بخشی از نیروي تولید شده توسط توربین صرف چرخاندن کمپرسور هوا و باقیمانده از طریق یک شفت رابط به ژنراتور منتقل می شود و برق تولیدي ژنراتور پس از تنظیم، به مصرف میرسد .[2]
اولین قدم در طراحی میکروتوربین، مشخص کردن پارامترهاي اصلی سیکل آن است. به بیان دیگر، پارامترهاي مذکور، چارچوب و زیربناي طراحیهاي بعدي میباشند. براي محاسبه ي این پارامترها، پس از مشخص نمودن روابط اصلی حاکم بر سیکل، برنامه ي کامپیوتري به زبان فرترن2 تدوین گردید و ورودي و خروجیهاي این برنامه با دادههاي موجود از سیکل هاي تجاري میکروتوربین ها ارزیابی شده و صحت آن در حالات مختلف کنترل گردید.
سپس با توجه به محدودیتهاي موجود از لحاظ مواد و قطعات و غیره در بازار داخل کشور و بعضاً مواد قابل حصول از خارج کشور، ورودي هاي این برنامه داده شده و بر این اساس خروجی از آن گرفته شد. براي مثال، دماي ورودي به توربین هرچه بالاتر باشد، راندمان سیکل بالاتر خواهد بود، در حالیکه محدودیت هاي مواد قابل حصول این مقدار را به 1100K - آلیاژ آینکانل - 738 محدود کرده است و یا بعضاً در مورد راندمان هاي در نظر گرفته شده براي توربین، کمپرسور، رکوپراتور و ژنراتور سعی شده مقادیر نزدیک به حالت ممکن در ساخت یک نمونهي اولیهي غیر تجاري در نظر گرفته شود.
براي مشخص نمودن نحوهي قرارگیري اجزاي میکروتوربین در کنار یکدیگر، بررسی و مشاوره هاي مختلفی انجام گرفت. با توجه به وجود الگوهاي متفاوت براي این منظور، در الگوي انتخابی می بایست شرایط و امکانات مد نظر قرار گیرند. لذا در این انتخاب سعی شده است در حد امکان با حفظ اصول مهم طراحی، این طرح پیچیدگیهاي کمتري داشته باشد.
