مدل سازی ترمودینامیکی و تجزیه و تحلیل عملکرد بر اساس قانون دوم (مقاله ترجمه شده)

چکیده

در این مقاله تحقیقاتی، یک مدلسازی کامل ترمودینامیکی از یکی از نیروگاه های توان توربین گازی در ایران بر اساس روابط ترمودینامیکی انجام شده است. علاوه بر این، یک برنامه کامپیوتری کامل برای اهداف شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Matlab توسعه یافته است. برای ارزیابی عملکرد سیستم، تجزیه و تحلیل اکسرژی و اکسرژی-اقتصادی به منظور تعیین نابودی اکسرژی هر یک از مؤلفه ها و هزینه هر خط جریان از این سیستم ها انجام شده است. یک مطالعه کامل پارامتری نیز به منظور مطالعه اثر پارامترهای طراحی خاص مانند بازده اکسرژی و هزینه کلی نابودی اکسرژی در تغییرات عملکرد سیستم انجام شده است. نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی نشان داد که محفظه احتراق ( CC ) مخرب ترین جزء اکسرژی در مقایسه با اجزای چرخه دیگر است. همچنین، بازده اکسرژی آن کمتر از اجزای دیگر است که با توجه به تفاوت درجه حرارت بالا بین سیال کاری و دمای مشعل است. علاوه بر این، مشخص شد که با افزایش TIT (دمای ورودی توربین گاز) ، نابودی اکسرژی این جزء را می توان کاهش داد. از سوی دیگر، هزینه تخریب اکسرژی که یک تابع مستقیم از نابودی اکسرژی است، برای محفظه احتراق بالا است. اثرات پارامترهای طراحی در بازده اکسرژی نشان داد که افزایش در نسبت فشار کمپرسور هوا و TIT، کل بازده اکسرژی چرخه را افزایش می دهد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که افزایش در TIT از حدود 350 K می تواند به کاهش حدود 22 ٪ در هزینه نابودی اکسرژی منجر شود. بنابراین، TIT، بهترین گزینه برای بهبود تلفات چرخه است.

1. مقدمه

سیستم های انرژی شامل تعداد زیادی و انواع مختلف تعاملات با جهان خارج از مرزهای فیزیکی آن می شود. بنابراین، طراح باید با بسیاری از مسائل، در درجه اول مرتبط با انرژی، اقتصاد و محیط زیست، به طور اختصاری "3E" روبرو شود. توربین های گازی، یک کاندید مناسب برای واحدهای تولید برق هستند زیرا آنها به طور گسترده ای در هر دو سیکل گاز و سیکل ترکیبی استفاده می شوند. از این رو، مدل سازی ترمودینامیکی و ارزیابی عملکرد توربین های گازی، یک موضوع قابل توجه برای طراحان سیستم های حرارتی است. نیروگاه های توان چرخه ترکیبی (CCPP)، حرارت اگزوز از موتور توربین گازی را برای افزایش خروجی نیروگاه توان و بازده کلی تا 50% استفاده می کند. به تازگی، تجزیه و تحلیل اکسرژی، که بر اساس قانون دوم ترمودینامیک است، با تعیین مقدار مقادیر قابل معکوس برای هر جزء و ارائه بینش بهتر به طراحی سیستم، به عنوان یک ابزار بالقوه برای افزایش درک از عملکرد سیستم شناخته شده است.

روش تجزیه و تحلیل اکسرژی بر اساس کاربرد همزمان از اولین و قوانین دوم ترمودینامیک است [1]. بحران انرژی از دهه 1970 و تاکید مداوم بر بازده (حفاظت از منابع سوخت) منجر به تعمیرات اساسی به روشی شده است که در آن سیستم های توان تجزیه و تحلیل می شوند و از لحاظ ترمودینامیکی بهبود می یابند [2].

2 . تجزیه و تحلیل اکسرژی

اکسرژی از دو بخش مهم تشکیل شده است. اولین مورد، اکسرژی فیزیکی است و دومی اکسرژی شیمیایی است. در این مطالعه، بخش های جنبشی و پتانسیل اکسرژی قابل اغماض است [ 4 ]. اکسرژی فیزیکی به عنوان حداکثر کار نظری مفید به دست آمده به عنوان یک سیستم در تعامل با حالت تعادل تعریف می شود. اکسرژی شیمیایی با خروج از ترکیب شیمیایی یک سیستم از تعادل شیمیایی آن همراه است. اکسرژی شیمیایی بخش مهمی از اکسرژی در فرایند احتراق است . این نکته مهم است که، بر خلاف انرژی، اکسرژی از قانون بقا معاف است [ 5 ] . برگشت ناپذیری در ارتباط با فرآیندهای واقعی باعث تخریب اکسرژی می شود.

3 . تجزیه و تحلیل اقتصادی

اقتصاد اکسرژی و یا حرارتی اقتصادی، شاخه ای از مهندسی است که به طور مناسب در سطح اجزاء سیستم، ارزیابی های ترمودینامیکی بر اساس تجزیه و تحلیل اکسرژی با اصول اقتصادی، به منظور ارائه اطلاعاتی مفید به طراح یا اپراتور از یک سیستم برای طراحی و بهره برداری از یک سیستم مقرون به صرفه را ترکیب می کند اما با تجزیه و تحلیل اکسرژی منظم و انرژی و تجزیه و تحلیل اقتصادی قابل حصول نمی باشد [12]. هنگامی که هزینه اکسرژی اعمال نمی شود، محققان باید از یک عبارت متفاوت (به عنوان مثال حرارتی اقتصاد ) استفاده کنند. اقتصاد-حرارتی یک اصطلاح کلی تر است و هر ترکیبی از تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی را با تجزیه و تحلیل های اقتصادی [13، 14] مشخص می کند. به منظور تعریف یک تابع هزینه ، که بستگی به پارامترهای بهینه سازی مورد نظر دارد، هزینه جز باید به عنوان توابعی از پارامترهای طراحی ترمودینامیکی [14] بیان شود است.

3.1. معادلات تعادل هزینه

به منظور برآورد هزینه های نابودی اکسرژی برای هر جزء از نیروگاه، ابتدا باید معادلات تعادل هزینه برای هر جزء حل شود. بنابراین، برای استفاده از معادله تعادل هزینه (معادله 15)، معمولا بیش از یک ورودی و خروجی جریان برای برخی از اجزا وجود دارد. در این مورد، تعداد پارامترهای هزینه ناشناخته بیشتر از تعداد معادلات تعادل هزینه برای این بخش است. معادلات اکسرژی اقتصادی کمکی برای حل این مشکل توسعه یافته اند [2 و 14].

4. مدل سازی ترمودینامیکی

برای پیدا کردن پارامترهای طراحی فیزیکی و حرارتی بهینه از سیستم، یک برنامه شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Matlab برای نیروگاه های توان توربین گازی توسعه داده شد. خواص ترمودینامیکی، جریان اکسرژی، اکسرژی الکترونیکی بازده و هزینه نابودی اکسرژی با استفاده از این برنامه محاسبه می شود. معادلات تعادل انرژی برای بخش های مختلف از چرخه توربین گاز (شکل 1) به شرح زیر است:

5. مطالعه موردی

برای اعتبارسنجی نتایج حاصل از کد شبیه سازی، آنها را با داده های واقعی از یک نیروگاه های توان توربین گازی عملیاتی در نیروگاه توان یزد (یزد) مقایسه نمودیم. این نیروگاه توان در نزدیکی شهرستان یزد، در مرکز ایران واقع شده است. طرح کلی این نیروگاه در شکل 1نشان داده شده است.. بر اساس داده های جمع شده نیروگاه در سال 2006 هوای ورودی در دمای حدود 17.10؟ C و فشار حدود 0.874 است. فشار از طریق کمپرسور به 10.593 افزایش می یابد که دارای بازده ایزنتروپیک 83٪ است. دمای ورودی توربین گاز 1073 درجه است. توربین دارای بازده بدون تغییر آنتروپی 87٪ است. سوخت (گاز طبیعی) در 17.10 درجه و 30 بار تزریق می شود.

6. نتایج و بحث:

6.1. نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی

تجزیه و تحلیل عملکرد از چرخه توربین گاز، با در نظر گرفتن شرایط واقعی مانند دما و فشار برای هر جزء در واحد انجام شده است. شرایط هوا در ورودی کمپرسور در 0.874 بار و 298 K تعیین می شود. در این مورد، قدرت خالص خروجی از سیکل توربین گاز در 106MW ثابت می شود. علاوه بر این، فرض می شود تلفات حرارتی از طریق محفظه احتراق در 3٪ فرض می شود. بازده هم آنتروپی کمپرسور 83٪ است، و بازده هم آنتروپی توربین های گازی در 87٪ ثابت شده است. دمای ورودی توربین گازی بین 1100 K و 1450 K متفاوت است و نسبت فشار کمپرسور از 10 تا 20 در این مطالعه انتخاب شده است.

7 . نتیجه

مدلسازی ترمودینامیکی و تجزیه و تحلیل اکسرژی اقتصادی از یک چرخه توربین گاز به عنوان بخشی از این تحقیق انجام شد. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل اکسرژی نشان می دهد که محفظه احتراق، مهم ترین مخرب اکسرژی در نیروگاه توان است که به علت واکنش های شیمیایی و درجه حرارت بالا بین مشعل و مایع کاری می باشد. علاوه بر این، نتایج نشان می دهد که افزایش در TIT منجر به افزایش در بازده اکسرژی توربین گاز با توجه به افزایش خروجی توربین و کاهش تلفات محفظه احتراق می شود.

علاوه بر این، نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل اقتصادی اکسرژی مشترک با تجزیه و تحلیل اکسرژی، نشان می دهد که محفظه احتراق دارای بیشترین هزینه نابودی اکسرژی در مقایسه با سایر اجزاء است. علاوه بر این، نتایج نشان می دهد که با افزایش TIT، هزینه توربین گاز از نابودی اکسرژی را می توان کاهش داد.

این مقاله در سال 2012 در مجله فناوری های قدرت، توسط گروه مهندسی مکانیک و انرژی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله مدل سازی ترمودینامیکی و تجزیه و تحلیل عملکرد بر اساس قانون دوم در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.