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
شماره |
182 |
کد مقاله |
ELC182 |
مترجم |
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh |
نام فارسی |
طراحی و بهینه سازی چرخه آلی رانکین برای نیروگاه برق زمین گرمایی کم دما |
نام انگلیسی |
DESIGN AND OPTIMIZATION OF ORGANIC RANKINE CYCLE FOR LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL POWER PLANT |
تعداد صفحه به فارسی |
122 |
تعداد صفحه به انگلیسی |
108 |
کلمات کلیدی به فارسی |
چرخه آلی رانکین, نیروگاه برق زمین گرمایی کم دما |
کلمات کلیدی به انگلیسی |
ORGANIC RANKINE CYCLE, LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL POWER PLANT |
مرجع به فارسی |
دانشگاه نورس داکوتاتز دکتراانتشارات پروکوئست |
مرجع به انگلیسی |
University of North Dakota – Doctor of Philosophy – ProQuest |
قیمت به تومان |
48000 |
سال |
2014 |
کشور |
ایالات متحده |
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.