ام او فایل

مدلسازی ریاضی و ارائه یک الگوریتم مهندسی جهت تحلیل اقتصادی یک میکروتوربین گازی با استفاده از نرم افزار EES

فهرست مطالب

چکیده 1

فصل اول- مقدمه 2

1-1 مقدمه 2

1-2 بیان مسئله و ضرورت و اهمیت تحقیق 3

1-3 اهداف تحقیق 4

1-4 نوآوری تحقیق 4

1-5 ساختار پایان نامه 5

فصل دوم- معرفی توربینهای گازی 6

2-1 مقدمه 6

2-2 تاریخچهای مختصر از توربینهای گازی 6

2-3 کاربرد توربینهای گازی 7

2-4 تقسیمبندی توربینهای گازی از نظر توان تولیدی 9

2-5 مشخصات کلی نیروگاههای توربین گازی 10

2-6 سیکل توربین گاز (سیکل برایتون) 11

2-7 انواع نیروگاههای توربین گازی 13

2-8 بررسی افزایش قدرت سیکل توربین گازی به روشهای گوناگون 13

2-8-1 بازیابی 14

2-8-2 خنک کاری هوای خروجی از کمپرسور 15

2-8-3 گرمایش مجدد در توربین 16

2-8-4 تزریق آب یا بخار 17

2-9 سیکل ترکیبی 17

فصل سوم- معرفی میکروتوربینهای گازی 18

3-1 مقدمه 18

3-2 میکروتوربینهای دارای رکوپراتور 22

3-3 میکروتوربینهای ساده 24

3-4 میکروتوربینها بر اساس سیستم تولید همزمان برق وگرما 24

3-5 هزینههای سرمایهگذاری میکروتوربینها 26

3-6 راندمان میکروتوربینها درسیستمهای تولید همزمان 27

3-7 مروری بر تاریخچه کار 28

فصل چهارم- مدلسازی ریاضی سیستم 31

4-1 مقدمه 31

4-2 پیکربندی سیستم 31

4-3 فرضیات 32

4-4 روابط حاکم بر عملکرد سیکل 33

4-4-1 کمپرسور 33

4-4-2 محفظه احتراق 33

4-4-3 توربین 34

4-4-4 بازیاب 35

4-4-5 پمپ 35

4-4-6 میکروتوربین گازی 36

4-5 روابط اقتصادی سیستم 36

4-5-1 قیمت خرید تجهیزات 38

4-5-2 قیمت خرید سوخت 40

4-5-3 هزینه خرید، نصب و راهاندازی 41

4-6 روش حل 41

4-6-1 نرم افزار EES 41

فصل پنجم- نتایج 45

5-1 مقدمه 45

5-2 بررسی عملکرد کاری سیستم 45

5-3 بررسی عملکرد اقتصادی سیستم 50

5-4 اعتبارسنجی نتایج 60

فصل ششم- نتیجهگیری و پیشنهادات 61

6-1 نتیجهگیری 61

6-2 پیشنهادات 63

منابع 64

پیوست 1 66

فهرست اشکال

شکل (2-1) نمای شماتیک از یک موتور هواپیمای جت 8

شکل (2-2) توربین های گاز مدرن ثابت، برای تولید برق و تولید نیروی مکانیکی 9

شکل (2-3) توربین های گاز مدرن ثابت، برای تولید برق و تولید نیروی مکانیکی 9

شکل (2-4) سیکل ساده شده توربین گاز (سیکل برایتون) 12

شکل (2-5) شماتیک سیکل توربین گازی مجهز به سیستم بازیاب 14

شکل (2-6) شماتیک سیکل توربین گازی مجهز به سیستم خنک کاری میانی 15

شکل (2-7) شماتیک سیکل توربین گازی مجهز به گرمایش مجدد در توربین 16

شکل (3-1) حمل ونقل یک سیستم میکروتوربین گازی بایک جرثقیل معمولی 19

شکل (3-2) سادگی ساختار میکروتوربین گازی 19

شکل (3-3) کاربرد میکروتوربین در هتلها 20

شکل (3-4) کاربرد میکروتوربین در کارخانهها 21

شکل (3-5) کاربرد میکروتوربین در مدارس 21

شکل (3-6) کاربرد میکروتوربین در آپارتمانها 21

شکل (3-7) اجزای اصلی میکروبینها 22

شکل (3-8) دیاگرام یک میکروتوربین رکوپراتوردار بر اساس واحد تولید همزمان 25

شکل (3-9) نمایی از یک میکروتوربین رکوپراتوردار بهکار رفته در واحد تولید همزمان 25

شکل (3-10) نمایی از میکروتوربین ساخت شرکت Capstone 28

شکل (4-1) طرح سیستم پیشنهادی 32

شکل (4-2) نمودار مربوط به اندیس هزینهها 40

شکل (5-1) نمودار تغییرات راندمان الکتریکی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 46

شکل (5-2) نمودار تغییرات راندمان کل سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 47

شکل (5-3) نمودار تغییرات توان خالص تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 48

شکل (5-4) نمودار تغییرات حرارت خالص تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 49

شکل (5-5) نمودار تغییرات توان تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 4 بار 50

شکل (5-6) نمودار تغییرات توان تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 5 بار 50

شکل (5-7) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 51

شکل (5-8) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی و توان تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 52

شکل (5-9) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی و راندمان کلی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 53

شکل (5-10) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 4 بار و دمای گازهای ورودی ⁰C800 53

شکل (5-11) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 5 بار و دمای گازهای ورودی ⁰C900 54

شکل (5-12) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 5 بار و دمای گازهای ورودی ⁰C1000 54

شکل (5-13) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راهاندازی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 55

شکل (5-14) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راهاندازی و توان تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 56

شکل (5-15) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راهاندازی و راندمان کلی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم 56

شکل (5-16) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راهاندازی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 4 بار و دمای گازهای ورودی ⁰C800 57

شکل (5-17) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راهاندازی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 5 بار و دمای گازهای ورودی ⁰C900 57

شکل (5-18) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راهاندازی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری 5 بار و دمای گازهای ورودی ⁰C1000 58

فهرست جداول

جدول (3-1) ویژگیهای کلی میکروتوربینها 18

جدول (3-2) مزایا و معایب میکروتوربینها 24

جدول (3-3) ویژگیها و هزینههای میکروتوربینهای رکوپراتوردار و ساده براساس سیستم های تولید همزمان 26

جدول (3-4) ویژگیهای میکروتوربینهای سازندگان متفاوت با سوختهای متفاوت براساس سیستم تولید همزمان 27

جدول (5-1) پارامتر‌های فرض شده در سیستم پیشنهادی 45

جدول (5-2) مشخصات حالت بهینه یک سیستم 100 کیلوواتی 58

جدول (5-3) مشخصات حالت بهینه سه نمونه میکروتوربین 59

جدول (5-4) مقایسه نتایج کد حاضر با نتایج هورلوک 60

جدول (5-5) مقایسه نتایج کد حاضر با نتایج ماساردو 60

چکیده

هدف از این رساله مدلسازی ریاضی و ارائه یک الگوریتم مهندسی جهت تحلیل اقتصادی یک میکروتوربین گازی با استفاده از نرم افزار EES میباشد. پارامترهای طراحی و متغیرهای تصمیمگیری در بهینهسازی این سیستم تولید همزمان، نسبت فشار کمپرسور، نرخ هوای ورودی به سیستم و دمای گازهای ورودی به توربین انتخاب شدهاند. در این تحقیق، از مدل اقتصادی ساده لازارتو جهت محاسبه قیمت برق تولیدی و سایر هزینههای مرتبط استفاده شده است. نتایج بهدست آمده گویای این است که کارکرد بهینه سیستم در حداکثر فشار کاری 4 الی 6 بار بوده و کاهش دمای گازهای ورودی به توربین سبب پایین آمدن حداکثر فشار کاری بهینه در آن میگردد. با بالا رفتن دمای گازهای ورودی به توربین، قیمت برق تولیدی سیستم در فشارهای کاری بالا افزایش ناچیزی خواهد داشت و دلیل آن غالب بودن توان و راندمان بالا بر افزایش قیمت ناشی از خرید تجهیزات و خرید سوخت است. از سوی دیگر نتایج تحلیلهای اقتصادی نشان میدهد که در یک میکروتوربین با کارکرد بهینه (نسبت فشار 5 بار و دمای گازهای ورودی به توربین 1000 درجه سلسیوس) راندمان الکتریکی سیستم 24 و راندمان کلی آن 50 درصد است. در این سیستم بهینه قیمت برق تولیدی سیستم در حدود 21 سنت برآورد میگردد. هزینه خرید، نصب و راهاندازی سیستم میکروتوربین با افزایش ظرفیت سیستم بالا رفته و برای حدود 100 کیلووات افزایش ظرفیت سیستم این هزینهها در حدود 44 دلار (متوسط) افزایش دارد.

کلمات کلیدی: مدلسازی ریاضی، تحلیل اقتصادی، میکروتوربین گازی، نرم افزار EES

فصل اول- مقدمه

1-1 مقدمه

با توجه به روند رو به رشد مصرف انرژی در جهان و همچنین پراکندگی بافت جمعیتی و مناطق مسکونی، استفاده از روشها و سیستمهای جدید تولید انرژی غیرمتمرکز که دارای بازدهی بالا و آلایندگی پایین میباشند، در اولویت قرار گرفته است. امروزهباگسترش سیستمهایمختلفتولیدانرژی،روشهایگوناگونیمانند استفاده ازانرژیخورشیدی،انرژیباد،پیلهایسوختی، انرژی زمینگرمایی، میکروتوربینهاو دیزل ژنراتورهامورد توجه پژوهشگران مختلف قرارگرفتهاند. هرکدامازاین روشهای معرفی شدهدارایمزیتهاومعایبمخصوصبهخود میباشند. یکی از موارد پرکاربرد سیستمهای معرفی شده استفاده از آنها در سیستمهای تولید همزمان^{^[1]} میباشد[1]. این نوع سیستمهای غیرمتمرکز در آیندهای نه چندان دور جایگزین نیروگاههای بزرگ و متمرکز خواهند شد و نتیجه مستقیم این مساله کاهش تلفات توزیع خواهد بود. انتخاب یک سیستم تولید همزمان برای یک کاربرد خاص به عوامل بسیاری از جمله مقدار انرژی الکتریکی مورد نیاز، دوره کاری سیستم، محدودیت فضا، نیاز حرارتی، دسترسی به سوخت، قیمت مناسب و ... بستگی دارد. اندازه سیستمهای تولید همزمان بر اساس توان الکتریکی تولیدی آنها بیان میشود. عموماً اندازههای بیش از چند مگاوات را در بخش صنعت و کمتر از یک مگاووات را در تولید حرارت و قدرت مورد نیاز ساختمانهای تجاری، اداری و مسکونی استفاده میکنند. در وسیعترین محدوده، ظرفیت سیستمهای تولید همزمان از حدود 25 کیلووات (مولد میکروتوربین) تا 250 مگاووات (توربینهای گازی) بوده و برآورد هزینه برای نصب تمامی تکنولوژیها (به جز پیلسوختی) نیز در گستره 500 تا 1000 دلار به ازای هر کیلووات میباشد[1]. در این میان میکروتوربینهای گازی به دلیل ویژگیهای برتر به عنوان یکی از جدیترین گزینههای تولید قدرت غیرمتمرکز، مطرح میباشند.

توربینهایگازدراوایلسال 1900میلادیباتوجهبهپیشرفتهایمهندسیپایهگذاریشدودراواخر سال1930میلادینیزاستفادهازاینتوربینهابهمنظورتولیدتوانآغازگردید. توربینهایگازیدر اندازههایمختلفازچندصدکیلوواتتاچندصدمگاواتموجودمیباشند. اینتوربینهاحرارتیباکیفیتبالا تولید میکنند که میتواندبرایگرمایشناحیهاییاصنعتیمورداستفادهقرارگیرد.از موارد مهم کاربرد توربینها میتوان به استفاده از آنها در سیستمهای تولید همزمان اشاره کرد که علاوه بر تولید برق، انرژی حرارتی گازهای خروجی را جهت تولید آبگرم یا بخار مورد استفاده قرار میدهند. اغلب سیستمهای تولید همزمان بر پایه توربینهای گازی کوچک (میکروتوربینها) میباشند.

میکروتوربینها مولدهای کوچک برق هستند که سوخت گازی یا مایع را سوزانده و یک ژنراتور را با سرعت بالا (50000 تا 120000 دور بر دقیقه) به چرخش در میآورند. دامنه تولید توان توسط میکروتوربینها موجود در حال توسعه از 25 تا 500 کیلووات می باشد[2و3]. در اوایل سالهای 1980 بازدهی و قابلیت اطمینان میکروتوربینها به مقداری رسید که برای کاربرد در سیستمهای تولید همزمان صنعتی بزرگ مناسب شناخته شدند. بازده بالا، ابعاد فشرده، نسبت توان به وزن بالا، آلایندگی کم، عدم نیاز به خنککاری، هزینه تعمیر و نگهداری کم و راهاندازی سریع از خصوصیات برتر میکروتوربینهای گازی میباشد. این سیستمها اغلب برای استفاده در تولید انرژی بخش ساختمان بسیار مناسب میباشند. از آنجائیکه گازهای خروجی از میکروتوربین در حدود 60 تا 70 درصد انرژی سوخت ورودی را تشکیل میدهد، این گازها قابلیت بازیابی داشته و همچنین میتوان از آنها برای تولید آب گرم بهداشتی، سیستمهای گرمایشی و کاربرد در چیلرهای جذبی برای سیستمهای سرمایشی استفاده کرد. البته خصوصیاتی مانند هزینه سرمایهگذاری اولیه وحساسیت زیاد نسبت به شرایط محیطی سبب شده است که امروزه استفاده از میکروتوربینها در تولید قدرت مورد نیاز ساختمانهای بزرگ، ادارات و بیمارستانها نسبت به ساختمانهای کوچک در اولویت باشد[2و3]. با در نظر گرفتن همه جوانب، میکروتوربینها دارای مزایای انکارناپذیری برای تولید قدرت و حرارت مورد نیاز مصارف محلی میباشند. بنابراین مدلسازی ریاضی و بررسی ملاحظات اقتصادی میکروتوربینها به منظور بهینهسازی کارایی و همچنین کاهش هزینههای کارکرد و بهرهبرداری آنها بسیار ضروری میباشد.