طراحی و بهینه سازی چرخه آلی رانکین برای نیروگاه برق زمین گرمایی کم دما

طراحی و بهینه سازی چرخه آلی رانکین برای نیروگاه برق زمین گرمایی کم دما – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

طراحی و بهینه سازی چرخه آلی رانکین برای نیروگاه برق زمین گرمایی کم دما

دانشگاه نورس داکوتا

تز دکترا

انتشارات پروکوئست

2014

چکیده

با توجه به افزایش قیمت نفت و نگرانی های محیط زیستی توجه به سمت انرژی های تجدیدپذیر جلب شده است. انرژی زمین گرمایی به عنوان یک منبع بسیار جذاب در ارتباط با انرژی های تجدیدپذیر به شمار می آید. با وجود آنکه منابع کم دما (90 درجه الی 150 درجه سلسیوس) به عنوان شایع ترین و فراوان ترین منابع انرژی زمین حرارتی به شمار می آیند، آنها از نقطه نظر اقتصادی و فناوری برای تولید برق تجاری مناسب نیستند. فناوری چرخه آلی رانکین (ORC) این توانایی را به وجود آورده است تا قابلیت استفاده از منابع کم دما جهت تولید برق با استفاده از سیالات آلی با دمای جوش پایین را داشته باشیم. اولین فرضیه برای این تحقیق بدین صورت مطرح می شود که استفاده از ORC از نقطه نظر اقتصادی و فناوری جهت تولید الکتریسیته از منابع زمین گرمایی کم دما امکان پذیر می باشد. فرضیه دوم برای این تحقیق طراحی مجدد سیستم ORC با توجه به شرایط و منابع مشخص شده و با درنظرگیری ارتقای کارایی و اقتصادی این مؤلفه می باشد.

مدل ORC با استفاده از شبیه ساز فرآیند توسعه یافته است و با بهره گیری از داده های حاصله از Chena Hot Springs, Alaska مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است. یک همبستگی بین دمای حیاتی سیال عامل یا کارشاره و کارایی برای این چرخه ملاحظه شده است. تحلیل اکسرژی چرخه مرتبط مشخص کننده این موضوع می باشد که بالاترین میزان تقریب اکسرژی در اواپراتور و متعاقبا آن در کندانسور، توربین و پمپ سیال حاصل می شود.

عملکرد ORC با استفاده از 12 کارشاره، همراه با مبدل حرارتی داخلی و با توجه به هواگیری / تراوش توربین با پیکربندی های مقید یا غیر مقید مورد بررسی قرار گرفته است. R601a، R245ca، R600 معرف بالاترین میزان کارایی قانون اول و دوم در پیکربندی مقید IHX می باشد. بالاترین میزان خالص توان برای سیالات R245ca، R601a و R601 در پیکربندی پایه غیر مقید حاصل آمده است. سطح مبدل حرارتی ترکیبی و پارامتر اندازه توربین معرف یک رویه افزایشی می باشد آن هم به هنگامی که دمای بحرانی سیال یا کارشاره مربوطه کاهش می یابد. کمترین هزینه الکتریسیته برای R245ca و متعاقباً R601a، R236ea در پیکربندی نامقید حاصل آمد. بهترین کاندیدهای بعدی بر حسب LCOE شامل R601a، R245ca و R600 در پیکربندی IHX نامقید تلقی شده اند. LCOE وابسته به توان خالص می باشد و توان خالص بیشتر نیز سبب کاهش هزینه های برق خواهد شد.

به طور کلی R245ca، R601، R601a، R600 و R236ea در بین شاره های مورد مطالعه دارای عملکرد بهتری بوده اند. پیکربندی های غیرمقید معرف عملکرد بهتری در مقایسه با پیکربندی های مقید می باشند. پیکربندی های غیرمقید دربردارنده بالاترین توان خالص و کمترین LCOE می باشند.

فصل 1

سابقه

1ـ1. انگیزه مطالعاتی

سوخت های فسیلی کنونی به عنوان منابع اولیه انرژی استفاده شده جهت تولید الکتریسیته به شمار می آیند. این سوخت های فسیلی در حقیقت منبع انرژی غیرتجدیدپذیر می باشند و موجودی آنها نیز محدود است. با توجه به افزایش قیمت نفت و نگرانی های محیط زیستی توجه به سمت انرژی تجدیدپذیر جلب شده است. برخی از این منابع اولیه انرژی تجدیدپذیر که به طور گسترده ای می توان از آنها استفاده نمود عبارتند از: خورشید، باد، آب، زمین گرمایش، زیست توده و سوخت های زیستی.

انرژی زمین گرمایی به عنوان نوعی انرژی حاصله از زمین تعریف می شود. این انرژی فراهم آورنده یک منبع قابل توجه و جذاب انرژی تجدیدپذیر به عنوان یک جایگزین بالقوه برای سوخت های فسیلی متعارف به شمار می آید. انرژی زمین گرمایی یک انرژی تجدیدپذیر با  آلایندگی بسیار کمتری، در مقایسه با سوخت های فسیلی، می باشد. این مورد را می توان به عنوان یک کاندید بسیار مناسب برای تأمین برق به حساب آورد چرا که منابع زمین گرمایی از ناسازگاری خاصی برخوردار نمی باشند. انرژی زمین گرمایی جهت تولید نیروی الکتریسیته یا برق و گرمایش جهت کاربرد در نیروگاه های ترکیبی حرارتی و برقی، گرمایش و سرمایش فضاها و موارد دیگر بکار گرفته شده است. White و همکاران اقدام به دسته بندی زمین گرمایی در سه رده گسترده نموده اند. منابع با دمای بالا، دمای فراتر از 150درجه سلسیوس، منابع با دمای سطح متوسط، دمای بین 90 الی 150 درجه سلسیوس، و منابع کم دما با دمایی زیر 90 درجه سلسیوس [White، D. Williams، 1975]. کاربردهای انرژی زمین گرمایی را می توان به طور گسترده به تولید برق و دسته بندی های کاربردی مستقیم تقسیم نمود. سیکل دوگانه، بخار خشک و بخار سیال به عنوان انواع نیروگاه های حرارتی زمین گرمایی موجود تلقی می شوند که جهت تولید برق با استفاده از منابع دمایی سطح بالا و سطح پایین و متوسط مورد استفاده قرار می گیرند. سیستم های بخار خشک و بخار سیال جهت تولید برق از منابع دارای دمای بالا استفاده می شوند (Hettiarachchi, Golubovic, Worek, Ikegami و Madhawa Hettiarachchi، 2007). منابع زمین گرمایی با دمای سطح متوسط در تأسیسات نیروگاه برق با سیکل تک تبخیری، دو تبخیری و یا باینری به منظور تولید الکتریسیته استفاده  می شوند (Kanoglu و Bolatturk، 2008). منابع زمین گرمایی با دمای اندک نیز غالباً جهت کاربردهای مستقیم نظیر گرمایش فضا، گرمایش گلخانه ای و غیره استفاده می شوند (Yari، 2010).

1ـ2. چرخه رانکین

به طور متعارف از چرخه رانکین جهت تولید برق با استفاده از بخار استفاده می شود. این چرخه به عنوان یک شکل اثبات شده فناوری به شمار آمده و دارای کارایی در مرتبه 33 الی 38 درصد می باشد. با این وجود، چرخه عادی رانکین از بخار به عنوان کارشاره جهت تولید برق استفاده نموده و صرفاً می توان از آن برای منابع دارای دمای بالاتر از نقطه جوش آب استفاده نمود. بنابراین، چرخه رانکین را نمی توان جهت کاربردهای کم دمای زیر 100 درجه سلسیوس بکار برد.

شکل 2 نشان دهنده دیاگرام آنتروپی دمای نوعی (T-s) برای یک چرخه رانکین می باشد. مسیر 1ـ2 و 3ـ4 معرف منحنی های تبخیر و چگالش در این چرخه می باشند (Cengel و Boles، 2006). منحنی انبساط 2ـ3 با قطع منحنی اشباع منجر به چگالش بخار می گردد. بخش خروجی توربین در چرخه رانکین غالباً دارای محتوای رطوبت کمتر از 10 درصد می باشد. این رطوبت سبب تشکیل قطرات آب شده و در نتیجه موجب فرسایش تیغه های توربین می گردد. به منظور اجتناب از چگالش بخار در توربین، اعمال فرآیند ابر گرم سازی بخار ضروری می باشد (Calise, Capuozzo و Vanoli، 2013). با این وجود، ابر گرمایش بخار دارای دو چالش مرتبط است. در ابتدا، ابر گرمایش از طریق افزایش آنتالپی بخار حاصل نشده و بنابراین نیازمند دماهای عملیاتی بالاتر بخار می باشد. چنین موردی از کاربرد منابع کم دما ممانعت می نماید چرا که آنها را نمی توان جهت فراهم آوردن ابر حرارت استفاده نمود. دوماً، ضرایب انتقال حرارت در فاز بخار کمتر می باشند که خود سبب افزایش سطح / مساحت مبدل های حرارتی مورد نیاز خواهد شد (Desai و Bandyopadhyay، 2009)، (Schuster, Karellas, Kakaras و Spliethoff، 2009). این مورد خود سبب هزینه بیشتر سیستم های ابر گرمایشی شده و ممکن است منجر به عدم پیاده سازی مطلوب آن از نقطه نظر اقتصادی برای نیروگاه های برق شود. بنابراین، یک چرخه رانکین بخار مبنا را نمی توان برای کاربردهای کم دما بکار گرفت.

1ـ3. چرخه آلی رانکین

چرخه آلی رانکین (ORC) در حقیقت به عنوان نوعی چرخه رانکین به شمار می آید که از سیالات آلی نظیر 1، 1، 1، 3، 3 ـ پنتافلوروپروپان (R245fa)، 1، 1، 1، 2 ـ تترافلواروتان (R134a)، ایزوپنتان و سیالات دیگر به عنوان رسانای عامل به جای بخار استفاده می نماید (Desai و Bandyopadhyay، 2009)، (Yamamoto, Furuhata, Arai و Mori، 2001). چرخه معمولی بخار رانکین دارای عملکرد مکفی بر حسب انرژی اتلافی رتبه پایین به واسطه کارایی اندک حرارتی و حجم جریان زیاد آن نمی باشد (Y. Chen, Lundqvist, Johansson و Platell، 2006)، (Angelino, Colonna و Paliano، 1998). ORC به عنوان یک فناوری نویدبخش برای تبدیل انرژی کم مقدار شامل حرارت اتلافی و منابع زمین گرمایی کم دما به الکتریسیته می باشد (T.C. Hung, Shai, Wang و Polytechnic، 1997)، (Schuster و همکاران، 2009). مزیت کاربرد سیالات آلی به عنوان کارشاره آن است که آنها نیازمند دمای پایینتر جهت تبخیر در مقایسه با بخار می باشند. سیالات آلی، در مقایسه با آب، قابلیت تبخیر در دمای بسیار کمتر را داشته و بنابراین می توان از منابع کم دما در این رابطه استفاده نمود. به طور مثال، R134a و R245fa به طور معمول به عنوان کارشاره استفاده شده و دارای نقطه جوش 14/15 سلسیوس و 26- درجه سلسیوس به ترتیب می باشند. مثال های دیگر که به عنوان کارشاره از آنها استفاده می شود شامل پنتان، ایزوپنتان، آمونیاک و موارد دیگر است.

1ـ4. مدل سازی و شبیه سازی چرخه آلی رانکین

اولین مرحله که در این مطالعه در نظر گرفته شده است ارائه یک مدل کامپیوتری در خصوص ORC با استفاده از یک شبیه ساز فرآیند می باشد. Aspen HYSYS بر این مبنا جهت ایجاد یک مدل نیروگاه برق ORC بکار گرفته شد. Aspen HYSYS به عنوان یک بسته نرم افزاری تجاری محسوب می شود که به وسیله شرکت Aspentech عرضه شده است و به واسطه نتایج دقیق آن، کاربرد گسترده در صنایع و آسانی برنامه نویسی انتخاب گردیده است. Aspen HYSYS دارای مدل های داخلی متشکل از واحدهای عملیاتی می باشد که برای توسعه چنین مدلی مورد استفاده قرار گرفته است. مدل های داخلی این برنامه ارائه دهنده گزینه هایی به منظور گسترش و متغیرسازی شرایط ورودی واحدهای عملیاتی و کپی برداری یا شبیه سازی از فرآیند دنیای واقعی می باشد. نتایج حاصله از این شبیه ساز شامل شرایط ترمودینامیکی در هر حالت در چرخه خاص، نرخ جریان جرمی یا بده جرمی، و فرآیندها و توان مرتبط در چرخه می باشد.

1ـ5. انتخاب کارشاره ها

کارشاره ها به عنوان مهمترین عاملی به شمار می آیند که مشخص کننده عملکرد سیستم ORC هستند. دو معیار اصلی جهت ملاحظه به هنگام انتخاب کارشاره برای ORC مدنظر می باشد. اولین معیار نوع کارشاره بر حسب شیب منحنی های اشباع آنها می باشد. معیار دوم تأثیر محیطی کارشاره است که به وسیله پتانسیل تخریب لایه ازن، پتانسیل گرمایش جهانی و طول عمر جوی یا اتمسفری مشخص می شود.

کارشاره ها را می توان به سه دسته اصلی بر مبنای شیب های منحنی های اشباع آنها که بر روی کارایی و چیدمان تجهیزات در ORC تأثیرگذار هستند دسته بندی نمود (T. Hung، 2001). این دسته بندی ها شامل سیالات مرطوب با شیب منفی، سیالات خشک با شیب مثبت و سیالات ایزن تروپیک با منحنی های بخار اشباع شده تقریباً عمودی می باشند. شکل 4 نشان دهنده سه نوع از کارشاره ها می باشد. سیال مرطوب یا تر پس از انبساط در توربین حاوی مقادیر زیادی از سیال اشباع شده می باشد و می تواند سبب چگالش کارشاره شود. این چگالش ممکن است سبب صدمه دیدگی به تیغه های توربین گردیده و ممکن است سبب کاهش کارایی آیزن تروپیک یا هم آنتروپی توربین شود. به منظور اجتناب از چگالش کارشاره بر روی تیغه های توربین، کارشاره می بایست ابرداغ یا فوق گرم گردد. برای چرخه رانکین با استفاده از منبع کم دما، نیروی رانشی جهت فوق داغ نمودن کارشاره در ورودی توربین ممکن است وجود نداشته باشد. به علاوه، مساحت انتقال حرارت مورد نیاز به واسطه کاهش ضریب انتقال حرارت در فاز بخار افزایش یافته و بنابراین به طور معنی داری سبب افزایش هزینه کلی سیستم ابر گرم کن شود. Aljundi و Liu و همکاران گزارش نمودند که وجود پیوندهای هیدروژن در مولکول های خاص منجر به ایجاد سیالات تر به واسطه آنتالپی تبخیری بیشتر می شود (Aljundi، 2011)، (Liu, Chien و Wang، 2004).

1ـ6. آنالیز ترمودینامیک

آنالیز ترمودینامیکی به عنوان یک ویژگی حیاتی جهت بررسی عملکرد ORC تحت شرایط عملیاتی و کارشاره های مختلف به شمار می آید. نویسندگان متعددی از کارآمدی قانون اول در بررسی های خود استفاده نموده اند (T. C. Hung و همکاران، 2010)، (Quoilin, Lemort, & Lebrun, 2010), (Schuster, Karellas, & Aumann, 2010). تحلیل انرژی بر مبنای اولین قانون ترمودینامیک می باشد. اولین قانون ترمودینامیک گرمای واقعی انتقال یافته به سیستم را در نظر گرفته و متعاقباً کارایی سیستم را مشخص می سازد. کارایی قانون اول در حقیقت به عنوان ضریب خالص عملیات تولید شده بر ورودی حرارت سیستم می باشد.

1ـ7. پیکربندی ORC

ORC متشکل از اواپراتور، توربین، کندانسور و یک پمپ کارشاره به عنوان اجزای اصلی پیکربندی این سیستم می باشد. شماتیک پیکربندی اصلی در شکل 3 ارائه شده است. ORC را می توان در پیکربندی های مختلفی به منظور افزایش کارایی بکار گرفت. Desai و Bandyopadhyay این موضوع را پیشنهاد نمودند که انتخاب پیکربندی و چرخه مرتبط با آن برای جامعیت مناسب با فرایند زمینه ای خود منوط به پروفایل دفع حرارت فرآیندهای زمینه ای می باشد (Desai و Bandyopadhyay، 2009). بازده حرارتی ORC با استفاده از ابر گرمایش در پیکربندی سیالات خشک اندکی کاهش می یابد. Larjola به این نتیجه گیری می رسد که برای منبع گرمایی سطح پایین تا متوسط، بهترین بازده و توان به هنگامی حاصل خواهد شد که پروفایل دمایی کارشاره در تناسب با پروفایل دمایی منبع حرارتی باشد (Larjola، 1995). Gu و همکاران مشخص ساختند که عملکرد سیستمی را می توان از طریق ارتقای ورودی حرارت / اکسرژی و از طریق ارتقای قابلیت تبدیل حرارت مورد استفاده سیستمی و ویژگی های مربوط به آن ارتقاء داد (J. Guo, Xu و Cheng، 2010).

1ـ8. ملاحظات اقتصادی

هزینه سرمایه گذاری های نیروگاهای زمین گرمایی را می توان با توجه به تجهیزات سطحی و سرمایه گذاری زیرسطحی دسته بندی نمود. ویژگی های اقتصادی سیستم ORC را می بایست در طی فرآیند بهینه سازی به حساب آورد. یک سیستم ORC طراحی شده جهت حاصل آوردن کارایی حداکثری به عنوان یک طراحی کاملاً اقتصادی به حساب نمی آید. هیچگونه اطلاعات دقیق موجودی در خصوص هزینه های سرمایه ای نیروگاه های برق ORC وجود ندارد. به علاوه، هزینه سرمایه گذاری با توجه به تولیدکنندگان و اندازه های مختلف تأسیسات متغیر می باشد. هزینه سرمایه سیستم های ORC کم دما کاملاً منوط به هزینه اجزا و بخش های دیگر نظیر مبدل های حرارتی، توربین ها و پمپ ها می باشد. هزینه تجهیزات این نوع از ORC ها به طور مستقیم در ارتباط با اندازه آنها تلقی می شود (Lakew و Bolland، 2010). هزینه حفاری نوعی برای توسعه نیروگاهی کم دما بین 10 الی 20 درصد کل هزینه سرمایه گذاری توسعه به شمار می آید (Stefánsson، 2002). این مطالعه بر روی هزینه سرمایه سیستم ORC با توجه به ملاحظات اقتصادی آن تمرکز می نماید.

1ـ9. بهینه سازی ORC

تعریف کارایی قانون اول ممکن است به هنگام مقایسه با کارشاره های مختلف گمراه کننده در نظر گرفته شود. یک چرخه ممکن است دارای ورودی کوچکتر باشد و قابلیت تولید برق کمتر را داشته و به علاوه از راندمان یا کارایی بیشتری نیز برخوردار باشد. یک راه جهت مقایسه عملکرد کارشاره ها مقایسه توان خروجی است. (Dai و همکاران، 2009) از راندمان اکسرژی به عنوان تابع هدف برای بهینه سازی پیکربندی اصلی و IHX استفاده نمودند.

فصل 2

روش شناسی

2ـ1. ایجاد مدل

اولین مرحله شامل شده در این مطالعه ارائه یک مدل کامپیوتری چرخه آلی رانکین (ORC) با استفاده از یک شبیه ساز فرآیند می باشد. Aspen HYSYS جهت ارائه یک مدل نیروگاه برق ORC مورد استفاده قرار گرفت. Aspen HYSYS به عنوان یک بسته نرم افزاری تجاری به شمار می آید که به وسیله Aspentech ارائه شده است و برای این بررسی به واسطه آسانی برنامه نویسی و نتایج دقیق آن انتخاب شده است. نتایج حاصله از Aspen HYSYS با بانک اطلاعات ارائه شده به وسیله NIST مقایسه شد.

Mago و همکاران به این نتیجه گیری رسیدند که سیالات آلی را می بایست تحت شرایط اشباع جهت کاهش تغییر ناپذیری کلی سیستم بکار گرفت. آنها متعاقباً این مورد را نیز ارائه نمودند که ابر گرمایش سیالات آلی سبب کاهش راندمان ORC از طریق افزایش برگشت ناپذیری خواهد شد. بنابراین، ابر گرمایش در مقایسه با آب که در آن کارایی به صورت نسبی با ابر گرمایش بخار مشخص می شود ضرورتی ندارد.

REFPROP نیز به عنوان یک بسته نرم افزاری مشخصه های مرتبط مدنظر می باشد که به وسیله انستیتو ملی استاندارد و فناوری (NIST) ارائه شده است. 

2ـ2. بهینه سازی ORC

بهینه سازی ORC با استفاده از به حداکثررسانی کارایی حرارتی اعمال شد. از نقطه نظر تعریف، کارایی اکسرژی به طور مستقیم در تناسب با کارایی حرارتی می باشد. بهینه سازی ORC با استفاده از یک ابزار بهینه ساز Aspen HYSYS اعمال گردید. این ابزار بهینه ساز از کارایی حرارتی به عنوان تابع هدف استفاده نموده و آن را تا سطح حداکثری مشخص می سازد. حداکثر فشار کارشاره و میزان جریان جرمی به عنوان دو پارامتر متغیر جهت به حداکثررسانی کارایی حرارتی در نظر گرفته شد. برای موارد مقید، توان توربین در سطح 250 کیلووات حفظ شد و فشار و جریان جرمی به صورت متغیر جهت به حداکثررسانی کارایی حرارتی در نظر گرفته شد. مقادیر حداکثری رسانایی حرارتی برای مبدل های حرارتی محدود به مقدار حاصل آمده از اعتبارسنجی این مدل با استفاده از نیروگاه برق زمین حرارتی چنا (Chena) می باشد. حداکثر فشار محتمل برای کارشاره از طریق دمای اشباع در نظر گرفته شد و متعاقباً بر حسب دمای منبع محدود گردید.

2ـ3. تحلیل هزینه ORC

تحلیل هزینه با استفاده از هزینه سرمایه بیان شده به عنوان هزینه تجهیزات نصب شده و هزینه هم تراز شده الکتریسیته مشخص می شود. هزینه تجهیزات نصب شده با استفاده از Aspen HYSYS برای هر کارشاره واحد با توجه به کلیه شش پیکربندی مدنظر حاصل می شود. هزینه تجهیزات تقسیم بر مجموع توان یا نیروی برق تولیدی برای هر مورد شده تا از این طریق قابلیت ارائه هزینه تجهیزات بر حسب $/kWh به وجود آید. آنالیز هزینه که در این مطالعه اعمال شده است شامل عملیات حفاری یا هزینه اکتشاف برای منابع زمین گرمایی نمی باشد. هزینه همترازی الکتریسیته (LCOE) با استفاده از محاسبه گر ساده لابراتوآر انرژی تجدیدپذیر ملی برآورد شده است (NREL، 2013). مقادیر این پارامترها که برای محاسبه LCOE استفاده شده اند در جدول 4 خلاصه گردیده اند.

فصل 3

نتایج و مباحث

3ـ1. اعتبارسنجی مدل در مقایسه با نیروگاه برق زمین گرمایی چنا

نیروگاه برق زمین گرمایی چنا در منطقه Hot Springs واقع در آلاسکا در سال 2006 ساخته شد. این نیروگاه از فناوری متمرکز ORC چرخه ـ خالص یا محض استفاده می نماید که قابلیت تولید ناخالص 250 کیلووات برق را دارد. مدل ORC که برای این مطالعه در نظر گرفته شده است با داده های حاصله از نیروگاه برق زمین گرمایی چنا برای مشخص سازی اعتبار این مدل مقایسه گردیده است. مدل ORC با استفاده از شبیه ساز فرآیند Aspen HYSYS ارائه شده است. شکل 3 نشان دهنده شماتیک یک ORC می باشد. شرایط طراحی برای مدل سازی از مباحث منتشر یافته حاصل آمده و در جدول 5 ارائه شده است(Holdmann, 2007 Aneke, Agnew, & Underwood, 2011). روش مشخصه REFPROP جهت شبیه سازی نیروگاه برق ORC مورد استفاده قرار گرفته است. REFPROP بر مبنای مدل های کاملاً دقیق و ترکیبی موجود می باشند. جدول 6 اقدام به مقایسه نتایج حاصله از این شبیه سازی با داده های یک نیروگاه حقیقی برای ارزیابی و تعیین اعتبار ویژگی های مرتبط می نماید. می توان مشاهده نمود که نتایج شبیه سازی قابل قیاس با داده های حاصله از نیروگاه مرتبط می باشد.

3ـ2. عملکرد مدل ORC

مدل ORC با استفاده از Aspen HYSYS توسعه یافته که در بخش های قبلی تشریح شد. مدل ORC با استفاده از نیروگاه برق زمین گرمایی چنا مورد اعتبارسنجی و ارزیابی قرار گرفت. این بخش اقدام به بررسی تأثیر تغییر برخی از شرایط عملکرد نیروگاه برق چنا می نماید. برای سیستم های توربین، دمای ورودی توربین و نسبت فشار در توربین به عنوان عوامل مهم حاکم بر کارایی سیستمی به شمار می آیند (Yamamoto و همکاران، 2001). نسبت فشار در توربین معرف توان تولیدی به وسیله توربین می باشد. برای نیروگاه برق زمین گرمایی چنا، توان ورودی اواپراتور با توجه به نسبت فشار در توربین متغیر تلقی شده و توان خروجی متناظر نیز بر مبنای آن مشخص شده است. کرانه های بالاتر و پایینتر فشار نیز به وسیله دمای منع و سینک حرارتی تنظیم شدند. حداکثر مقدار فشار به عنوان فشار اشباع متناظر با دمای حداکثر در سیستم در نظر گرفته شد. دمای حداکثری در سیستم به عنوان تفاضل بین دمای منبع و دمای نقطه پینچ می باشد. با توجه به قانون دوم، دمای تبخیر بالاتر و دمای چگالش پایینتر سبب افزایش کارایی سیستم می شود (Quoilin, Declaye, Tchanche و Lemort، 2011).

 3ـ3. تحلیل انرژی ـ پیکربندی اصلی

یک ORC ساده را می توان به عنوان نوعی پیکربندی پایه بر حسب شکل 15 در نظر گرفت. تحلیل انرژی پیکربندی پایه مقید در این بخش مورد بررسی قرار می گیرد. دمای منابع و میزان جریان برابر با 210 °F و 875 gpm به ترتیب تلقی شده و دمای رسانای خنک کننده نیز به میزان 77 °F در نظر گرفته شده است و برای هر دو مورد طراحی به صورت ثابت حفظ گردیده است. اندازه تجهیزات نیز برای هر کارشاره بهینه شده است. مقادیر حداکثری که برای هر یک اندازه های تجهیزات مدنظر می باشند به صورت مقید شده در شکل 7 ارائه گردیده اند. آنالیز انرژی با استفاده از قانون ترمودینامیک برای 12 کارشاره در پیکربندی پایه انجام شد. توان ناخالص برای این مورد به صورت ثابت در حد 250 کیلووات حفظ شد. ORC برای هر کارشاره بهینه سازی گردیده و نتایج شبیه سازی حاصله با بانک اطلاعات استاندارد NIST مقایسه گردید.

3ـ4. آنالیز اکسرژی ـ پیکربندی پایه

آنالیز اکسرژی بر مبنای قانون دوم ترمودینامیک می باشد و برآورد مربوط به ویژگی های برگشت ناپذیر در این چرخه را ارائه می نماید. آنالیز اکسرژی مشخص کننده تنزل قابلیت کار سیستمی با توجه به محیط پیرامونی است (Yari، 2010). شکل 17 راندمان اکسرژی برای کارشاره ها در ارتباط با کارشاره ها در یک توان خروجی یکسان را مقایسه نموده است. بازده اکسرژی به عنوان برآورد عملکرد در ارتباط با عملکرد تحت شرایط برگشت پذیر می باشد. مشابه با بازده حرارتی، کارایی اکسرژی برای R245ca در بالاترین حد و برای R152a در پایین ترین حد می باشد. بر این مبنا می توان مشاهده نمود که کارایی قانون دوم دنبال کننده رویه مشابه با کارایی قانون اول می باشد. علت این امر به واسطه این حقیقت است که کارایی قانون دوم به عنوان نسبت کارایی قانون اول در ارتباط با حداکثر کار محتمل به شمار می آید. برای منابع حرارتی مشخص و شرایط پیرامونی خاص، حداکثر کار به صورت ثابت باقی می ماند. بنابراین، کارایی قانون دوم به طور مستقیم در تناسب با کارایی قانون اول تلقی می شود. راندمان اکسرژی R245ca به صورت 4/48 درصد محاسبه شده و 37 درصد بیشتر از راندمان R152a به شمار می آید. DiPippo گزارش داد که نیروگاه های زمین گرمایی دارای کارایی اکسرژی 40 درصد یا بیشتر می باشند (DiPippo، 2004).

3ـ5. عوامل تخریب اکسرژی ـ پیکربندی پایه

عامل تخریب اکسرژی (EDF) به عنوان نسبت نرخ تخریب اکسرژی به توان خالص حاصل آمده از سیستم می باشد. مقادیر EDF را می توان به عنوان یک راهکار مناسب جهت مقایسه عملکرد کارشاره های مختلف در نظر داشت. EDF به عنوان نسبت برگشت ناپذیری به کار خالص سیستمی تلقی می شود. به هنگامی که مقدار EDF سیستمی صفر باشد، هیچگونه اکسرژی تخریب نشده و سیستم از هر گونه برگشت ناپذیری عاری می باشد. یک مقدار EDF کمتر از 1 معرف آن است که اکسرژی بیشتری در مقایسه با مورد تخریب شده از سیستم بازیافت می شود. به هنگامی که اکسرژی تخریبی برابر با مقدار کار خالص سیستمی باشد، مقدار EDF سیستم برابر با 1 خواهد بود. مقادیر EDF بالاتر معرف آن می باشد که سیستم از ناکارآمدی بیشتری برخوردار شده است. افزایش در مقدار EDF از 1 به 7/1 منجر به 43 درصد افزایش در مجموع تخریب اکسرژی می شود.

3ـ6. پیکربندی مبدل حرارتی داخلی

مبدل حرارتی یک سیستم ORC را می توان از طریق اضافه نمودن یک مبدل حرارتی داخلی (IHX) افزایش داد (E. H. Wang و همکاران، 2011). پیکربندی مبدل حرارتی داخلی شامل یک مبدل حرارتی با قابلیت پیش گرمایش سیال وارد به اواپراتور از طریق گرمای حاصله از بخارهایی که توربین را ترک می کنند می باشد. پیکربندی IHX سبب افزایش میانگین دمایی حرارت اضافه شده به سیستم و کاهش میانگین دمایی که بر مبنای آن سیستم اقدام به دفع حرارت می نماید می شود. چنین موردی خود منجر به افزایش کارایی کلی ORC می گردد (P J; Mago و همکاران، 2008). شکل 22 نشان دهنده شماتیک ORC با پیکربندی مبدل حرارتی داخلی می باشد.

3ـ7. پیکربندی تراوش توربین

هواگیری / تراوش توربین به عنوان یک پیکربندی به شمار می آید که شامل ورود بخار به توربین و خروج آن متعاقب وارد شدن بخار به اواپراتور می باشد. دمای میانگین گرمای اضافه شده به سیستم افزایش یافته و خود سبب افزایش کارایی سیستمی می شود. شکل 27 نشان دهنده شماتیک ORC در پیکربندی تراوش توربین است.

3ـ8. پیکربندی پایه غیرمقید

در بخش های قبلی، پیکربندی های تابع، IHX و تراوشی توربین با جزئیات آن مورد بحث قرار گرفت. تاکنون مشخص شده است که پیکربندی IHX نتایج بهتری را بر حسب راندمان یا کارایی ارائه می نماید. این پیکربندی ها با توجه به یک قید مشخص، یعنی ثابت نگه داشتن توان خروجی ناخالص به میزان 250 کیلووات، مورد بررسی قرار گرفته اند. این قید حذف شده و متعاقباً سه پیکربندی مورد بحث بررسی شدند. اندازه اجزا و خروجی ناخالص توربین جهت بهینه سازی عملکرد هر مورد تعدیل گردیدند. شرایط منبع و آب خنک کننده برای این آنالیز بدون تغییر باقی ماند. جدول 16 نشان دهنده شرایط طراحی برای ORC غیرمقید می باشد.

3ـ9. پیکربندی مدل حرارتی داخلی غیرمقید

شکل 37 و 38 نشان دهنده کارایی اولین و دومین قانون در زمینه پیکربندی IHX غیرمقید می باشد. بر این مبنا، می توان مشاهده نمود که نوعی افزایش کارایی برای کلیه کارشاره ها در مقایسه با پیکربندی پایه غیرمقید، به استثنای R601 و R152a، حاصل آمده است. دلیل این موارد استثنا آن است که توان خالص برای R601 و R152a در مقایسه با پیکربندی پایه غیرمقید کاهش یافته است. بالاترین میزان افزایش در کارایی در مقایسه با IHX مقید برای R601a، R245fa و R600 گزارش شده است. بنابراین می توان به این نتیجه رسید که برای غالب کارشاره های مطالعه شده در این مبحث، پیکربندی های IHX غیرمقید ارائه دهنده بالاترین میزان کارایی در بین پنج پیکربندی مطرح شده می باشند.

3-10. پیکربندی تراوش توربین غیرمقید

شکل 43 نشان دهنده نرخ های تخریب اکسرژی برای کلیه پیکربندی ها شامل تراوش توربین غیرمقید می باشد. تراوش توربین غیرمقید دارای نرخ های تخریب پایین تری در مقایسه با کلیه موارد محدود یا مقید می باشد. تراوش توربین غیرمقید دارای اتلاف های بالاتر اواپراتور در مقایسه با موارد غیرمقید می باشد. اتلاف های کندانسور کمتر از مورد پایه غیرمقید است اما بیشتر از مورد IHX غیرمقید به شمار می آید. توربین و پمپ دارای نرخ های تخریب کمتر در تراوش توربین غیرمقید در مقایسه با دیگر موارد غیرمقید می باشند.

3ـ11. آنالیز هزینه

بخش های قبلی معرف این موضوع بوده اند که کارایی ORC با توجه به کارشاره ها و پیکربندی های مختلف تغییر می نماید. تغییر در کارایی به واسطه تغییر در شرایط ترمودینامیکی این چرخه رخ داده که بر روی توان تولیدی، اندازه تجهیزات و ویژگی های اقتصادی کلی نیروگاه تأثیرگذار است. یک چرخه ای که قابلیت به حداکثررسانی کارایی را دارد ممکن است به عنوان کارآمدترین چرخه عملیاتی از نقطه نظر هزینه به حساب نیاید. بنابراین، لازم است تا قابلیت بررسی ویژگی های اقتصادی این چرخه را داشته باشیم و متعاقباً نوعی تراز بین کارایی و هزینه را حاصل آوریم. آنالیز هزینه سیستم ORC با استفاده از کارایی کلی، توان خالص، سطح مبدل های حرارتی ترکیبی، پارامتر اندازه و همچنین هزینه همتراز شده الکتریسیته (LCOE) اعمال می شود. فرضیه های ارائه شده در این تحلیل در بخش 2ـ3 عرضه شده و مثال محاسبه LCOE نیز در بخش ضمیمه ارائه شده است.

فصل 4

نتیجه گیری

یک مدل ORC به طور موفقیت آمیزی با استفاده از شبیه ساز فرآیند Aspen HYSYS توسعه یافته و متعاقباً با استفاده از داده های حاصله از نیروگاه برق زمین گرمایی چنا مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است.

یک همبستگی قوی بین دمای حیاتی کارشاره و کارایی کارشاره ها مشاهده شد. این کارایی به هنگامی که دمای بحرانی کارشاره افزایش یافت با افزایش روبرو گردید. آنالیز اکسرژی این چرخه معرف آن است که بالاترین تخریب اکسرژی در اواپراتور و پس از آن کندانسور، توربین و پمپ کارشاره برای سناریوهای مورد پایه رخ می دهد.

عملکرد ORC با استفاده از 12 کارشاره خشک در سه پیکربندی مقید و غیرمقید (پایه، IHX و تراوش توربین) مورد بررسی قرار گرفت. R601a، R245ca، R600 معرف بالاترین کارایی قانون اول و دوم در پیکربندی IHX غیرمقید می باشند. بالاترین توان خالص برای کارشاره های R245ca، R601a و R601 در پیکربندی پایه غیرمقید حاصل آمد. سطح مبدل حرارتی ترکیبی و پارامتر اندازه توربین معرف یک افزایش می باشند آن هم به هنگامی که دمای بحرانی کارشاره کاهش می یابد. پایین ترین هزینه همتراز شده الکتریسیته برای R245ca و متعاقب آن R601a، R236ea در پیکربندی پایه غیرمقید مشاهده شد. بهترین کاندید بعدی بر حسب LCOE عبارتند از R601a، R245ca و R600 در پیکربندی IHX غیرمقید. LCOE منوط به توان خالص می باشد و توان خالص بیشتر نیز خود در ارتباط با ویژگی مطلوب هزینه کمتر الکتریسیته خواهد بود.

به طور کلی R245ca، R601، R601a، R600 و R236ea معرف عملکرد بهتری در بین 12 کارشاره تحت بررسی می باشند. پیکربندی های غیرمقید معرف عملکرد بهتری در مقایسه با پیکربندی های مقید می باشند. پیکربندی های غیرمقید پایه معرف بالاترین توان خالص و پایین ترین LCOE هستند.

فصل 5

تحقیقات آتی

هرگونه منبع زمین حرارتی از نقطه نظر اندازه و دما محدود تلقی شده و میزان جریان آن ممکن است در خلال چرخه عمر پروژه با افت روبرو شود. کاهش در این میزان منوط به نرخ یا سرعت بهره برداری از چنین منبعی می باشد. بر این مبنا لازم است تا تلاش های مناسبی جهت مشخص سازی و پیش بینی طول عمر استفاده از این منابع انجام شوند. تأثیر دمای کاهشی و نرخ جریان عملکرد ORC و ویژگی های اقتصادی را می بایست در این راستا مورد بررسی قرار داد.

یک همبستگی بین دمای حیاتی کارشاره و کارایی حرارتی در این مطالعه مدنظر قرار گرفته است. یک مطالعه عمیق جهت درک تأثیر خواص سیالات در ارتباط با عملکرد سیستمی را می بایست با توجه به این مفاهیم انجام داد. چنین موردی به ما در زمینه درک همبستگی بین خواص سیالات و عملکرد ORC و همچنین انتخاب کارشاره ها برای عملکرد بهتر کمک خواهد نمود.

یک مشاهده مهم در طی این بررسی حاصل شده است که بر مبنای آن غالب اکسرژی در اواپراتور اتلاف می شود. تخریب اکسرژی به واسطه تطبیق پروفایل حرارتی در اواپراتور رخ می دهد. یکی از راهکارهای تطبیق بهتر پروفایل دمایی طراحی چرخه مرتبط در ناحیه ابر بحرانی می باشد. با این وجود، چرخه ابر بحرانی غالباً نیازمند فشار بالاتری می باشد که خود سبب افزایش مصرف کار پمپ سیال و هزینه های سرمایه گذاری می شود. در این زمینه لازم است تا تلاش هایی را جهت بررسی چرخه های ابر بحرانی جهت انطباق بهتر پروفایل با توجه به هزینه های بالاتر مرتبط با آن اعمال داشت.