شکل (۳-۶) کاربرد میکروتوربین در آپارتمان­ها ۲۱
شکل (۳-۷) اجزای اصلی میکروبین­ها ۲۲
شکل (۳-۸) دیاگرام یک میکروتوربین رکوپراتوردار بر اساس واحد تولید همزمان ۲۵
شکل (۳-۹) نمایی از یک میکروتوربین رکوپراتوردار به­کار رفته در واحد تولید همزمان ۲۵
شکل (۳-۱۰) نمایی از میکروتوربین ساخت شرکت Capstone 28
شکل (۴-۱) طرح سیستم پیشنهادی ۳۲
شکل (۴-۲) نمودار مربوط به اندیس هزینه­ها ۴۰
شکل (۵-۱) نمودار تغییرات راندمان الکتریکی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۴۶
شکل (۵-۲) نمودار تغییرات راندمان کل سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۴۷
شکل (۵-۳) نمودار تغییرات توان خالص تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۴۸
شکل (۵-۴) نمودار تغییرات حرارت خالص تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۴۹
شکل (۵-۵) نمودار تغییرات توان تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۴ بار ۵۰
شکل (۵-۶) نمودار تغییرات توان تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۵ بار ۵۰
شکل (۵-۷) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۵۱
شکل (۵-۸) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی و توان تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۵۲
شکل (۵-۹) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی و راندمان کلی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۵۳
شکل (۵-۱۰) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۴ بار و دمای گازهای ورودی ^۰C800 53
شکل (۵-۱۱) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۵ بار و دمای گازهای ورودی ^۰C900 54
شکل (۵-۱۲) نمودار تغییرات قیمت برق تولیدی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۵ بار و دمای گازهای ورودی ^۰C1000 54
شکل (۵-۱۳) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۵۵
شکل (۵-۱۴) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی و توان تولیدی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۵۶
شکل (۵-۱۵) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی و راندمان کلی سیستم نسبت به تغییرات فشار کاری سیستم ۵۶
شکل (۵-۱۶) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۴ بار و دمای گازهای ورودی ^۰C800 57
شکل (۵-۱۷) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۵ بار و دمای گازهای ورودی ^۰C900 57
شکل (۵-۱۸) نمودار تغییرات هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی سیستم نسبت به نرخ جریان هوای ورودی به سیستم در فشار کاری ۵ بار و دمای گازهای ورودی ^۰C1000 58
فهرست جداول
جدول (۳-۱) ویژگی­های کلی میکروتوربین­ها ۱۸
جدول (۳-۲) مزایا و معایب میکروتوربین­ها ۲۴
جدول (۳-۳) ویژگی­ها و هزینه­ های میکروتوربین­های رکوپراتوردار و ساده براساس سیستم های تولید همزمان ۲۶
جدول (۳-۴) ویژگی­های میکروتوربین­های سازندگان متفاوت با سوخت­های متفاوت براساس سیستم تولید همزمان ۲۷
جدول (۵-۱) پارامتر‌های فرض شده در سیستم پیشنهادی ۴۵
جدول (۵-۲) مشخصات حالت بهینه یک سیستم ۱۰۰ کیلوواتی ۵۸
جدول (۵-۳) مشخصات حالت بهینه سه نمونه میکروتوربین ۵۹
جدول (۵-۴) مقایسه نتایج کد حاضر با نتایج هورلوک ۶۰
جدول (۵-۵) مقایسه نتایج کد حاضر با نتایج ماساردو ۶۰
چکیده
هدف از این رساله مدلسازی ریاضی و ارائه یک الگوریتم مهندسی جهت تحلیل اقتصادی یک میکروتوربین گازی با بهره گرفتن از نرم افزار EES می­باشد. پارامترهای طراحی و متغیرهای تصمیم ­گیری در بهینه­سازی این سیستم تولید همزمان، نسبت فشار کمپرسور، نرخ هوای ورودی به سیستم و دمای گازهای ورودی به توربین انتخاب شده ­اند. در این تحقیق، از مدل اقتصادی ساده لازارتو جهت محاسبه قیمت برق تولیدی و سایر هزینه­ های مرتبط استفاده شده است. نتایج به­دست آمده گویای این است که کارکرد بهینه سیستم در حداکثر فشار کاری ۴ الی ۶ 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 ۵ بار و دمای گازهای ورودی به توربین ۱۰۰۰ درجه سلسیوس) راندمان الکتریکی سیستم ۲۴ و راندمان کلی آن ۵۰ درصد است. در این سیستم بهینه قیمت برق تولیدی سیستم در حدود ۲۱ سنت برآورد می­گردد. هزینه خرید، نصب و راه ­اندازی سیستم میکروتوربین با افزایش ظرفیت سیستم بالا رفته و برای حدود ۱۰۰ کیلووات افزایش ظرفیت سیستم این هزینه­ها در حدود ۴۴ دلار (متوسط) افزایش دارد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

کلمات کلیدی: مدلسازی ریاضی، تحلیل اقتصادی، میکروتوربین گازی، نرم افزار EES
فصل اول- مقدمه
۱-۱ 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. امروزه با گسترش سیستم­های مختلف تولید انرژی، روش های گوناگونی مانند استفاده از انرژی خورشیدی، انرژی باد، پیل­های سوختی، انرژی زمین­گرمایی، میکروتوربین­ها و دیزل ژنراتورها مورد توجه پژوهشگران مختلف قرار گرفته­اند. هر کدام از این روش­های معرفی شده دارای مزیت­ها و معایب مخصوص به خود می­باشند. یکی از موارد پرکاربرد سیستم­های معرفی شده استفاده از آنها در سیستم­های تولید همزمان^[۱] می­باشد[۱]. 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 می­ شود. عموماً اندازه­ های 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 می­ کنند. در وسیع­ترین محدوده، ظرفیت سیستم­های تولید همزمان از حدود ۲۵ کیلووات (مولد میکروتوربین) تا ۲۵۰ مگاووات (توربین­های گازی) بوده و برآورد هزینه برای نصب تمامی تکنولوژی­ها (به جز پیل­سوختی) نیز در گستره ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ دلار به ازای هر کیلووات می­باشد[۱]. در این میان میکروتوربین­های گازی به دلیل ویژگی­های برتر به عنوان یکی از جدی­ترین گزینه­ های تولید قدرت غیرمتمرکز، مطرح می­باشند.
توربین­های گاز در اوایل سال ۱۹۰۰ میلادی با توجه به پیشرفت­های مهندسی پایه­گذاری شد و در اواخر سال ۱۹۳۰ میلادی نیز استفاده از این توربین­ها به منظور تولید توان آغاز گردید. توربین­های گازی در اندازه­ های مختلف از چند صد کیلووات تا چند صد مگاوات موجود می­باشند. این توربین­ها حرارتی با کیفیت بالا تولید می­ کنند که می ­تواند برای گرمایش ناحیه­ای یا صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. 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 می­ دهند. 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 (۵۰۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰۰ دور بر دقیقه) به چرخش در می­آورند. دامنه تولید توان توسط میکروتوربین­ها موجود در حال توسعه از ۲۵ تا ۵۰۰ کیلووات می باشد[۲و۳]. در اوایل سالهای ۱۹۸۰ 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 راه ­اندازی 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 ۶۰ تا ۷۰ 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 سرمایه ­گذاری 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[۲و۳]. 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 هزینه­ های کارکرد و بهره ­برداری آنها بسیار ضروری می­باشد.
۱-۲ بیان مسئله و ضرورت و اهمیت تحقیق
تعیین قیمت برق تولیدی و همچنین سایر هزینه­ های مرتبط با خرید، نصب و راه ­اندازی هر نوع سیستم تولید انرژی یک مساله بسیار مهم در انتخاب آنها می­باشد. هدف از انجام این رساله مدلسازی ریاضی و ارائه یک الگوریتم مهندسی جهت تحلیل اقتصادی یک میکروتوربین گازی با بهره گرفتن از نرم افزار EES می­باشد.
۱-۳ اهداف تحقیق
هدف از این تحقیق مدلسازی ریاضی و تحلیل عملکرد یک واحد تولید توان الکتریکی بر اساس میکروتوربین گازی می­باشد. بهینه­سازی عملکرد فنی و اقتصادی این سیستم از دیگر اهداف این رساله می­باشد. جهت انجام این تحقیق از نرم افزار مهندسی EES (Engineering Equation Solver) استفاده خواهد شد که در تحلیل­های ریاضی مورد استفاده قرار می­گیرد. قابلیت بالای این نرم افزار حل همزمان چند معادله چند مجهولی می­باشد که این مساله کمک زیادی در تحلیل این سیستم به کاربر می­دهد.
۱-۴ نوآوری تحقیق
یکی از موارد پرکاربرد سیستم­های معرفی شده استفاده از آنها در سیستم­های تولید همزمان می­باشد. 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 می­ شود. در این میان میکروتوربین­های گازی به دلیل ویژگی­های برتر به عنوان یکی از جدی­ترین گزینه­ های تولید قدرت غیرمتمرکز، مطرح می­باشند. در این رساله یک واحد میکروتوربین گازی به صورت کامل و با در نظر گرفتن کلیه تجهیزات به­کار رفته در آن به صورت ریاضی مدلسازی شده و عملکرد آن در شرایط مختلف کاری محاسبه می­ شود. طراحی یک سیستم تولید توان ترکیبی بر پایه میکروتوربین گازی با راندمان بالا یکی از اهداف این تحقیق می­باشد. از طرف دیگر در این رساله سیستم پیشنهادی از دیدگاه اقتصادی نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت. مدلسازی ریاضی میکروتوربین گازی و ارائه یک الگوریتم مهندسی جهت تحلیل اقتصادی آن از دیگر نوآوری های این پایان نامه می­باشد که امکان طراحی هرگونه سیستم و تعیین هزینه ها و قیمت برق تولیدی آن را به کاربر خواهد داد. تعیین قیمت برق تولیدی سیستم و همچنین هزینه­ های مربوط به خرید، نصب و راه ­اندازی سیستم از دیگر موارد مهم این رساله می­باشد که در تحقیقات دیگر کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
۱-۵ ساختار پایان نامه
در این رساله پس از ارائه فصل اول و بیان کلیات پروژه، در فصل دوم اصول کارکرد و تاریخچه توربین های گازی بررسی خواهد شد. در ادامه این تحقیق و در فصل سوم میکروتوربین­های گازی و نحوه کارکرد و کاربرد آنها معرفی خواهد شد. در این فصل مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه مدلسازی میکروتوربین­های گازی انجام خواهد گرفت. در فصل چهارم نیز معادلات حاکم بر کلیه اجزا میکروتوربین معرفی شده و سپس مدلسازی ریاضی این تحقیق در نرم افزار EES ارائه خواهد شد. در فصل پنجم نیز نتایج این تحقیق ارائه خواهد شد.
فصل دوم- معرفی توربین­های گازی
۲-۱ مقدمه
از زمان تولد توربین­های گازی امروزی در مقایسه با سایر تجهیزات تولید قدرت، زمان زیادی نمی گذرد. با این وجود امروزه این تجهیزات به عنوان سامانه­های مهمی در امر تولید قدرت مکانیکی مطرح می­باشند. از تولید انرژی برق گرفته تا پرواز هواپیماهای مافوق صوت همگی مرهون استفاده از این وسیله سودمند می­باشند. ظهور توربین­های گازی باعث پیشرفت زیادی در رشته­ های مهندسی مکانیک، متالورژی و سایر علوم مربوطه گشته است. بطوری که پیدایش سوپرآلیاژهای پایه نیکل و تیتانیوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره­های ثابت و متحرک توربین­ها که دماهای بالایی در حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد و یا بیشتر را متحمل می­شوند، از سرعت بیشتری برخوردار شد. به همین خاطر امروزه به تکنولوژی توربین­های گازی تکنولوژی مادر گفته می­ شود. همانطور که بیان گردید از این تجهیزات در نیروگاه­ها برای تولید برق ( معمولاً برای جبران بارپیک) موتورهای جلوبرنده (هواپیما ،کشتی­ها و حتی خودروها)، در صنایع نفت و گاز (برای به حرکت درآوردن پمپ­ها و کمپرسورها در خطوط انتقال فرآورده ­ها) و… استفاده می­ شود. امروزه کاربرد توربین­های گازی به سرعت در حال گسترش می­باشد.
۲-۲ تاریخچه­ای مختصر از توربین­های گازی
توربین­گاز یک واحد تولید توان می­باشد که یک مقدار زیادی از انرژی را بر حسب ظرفیت خود تهیه می­ کند. بررسی­ها نشان می­دهد که توربین گازی کارایی زیادی در هر دو زمینه بازرگانی و صنعتی (مثل صنایع پتروشیمی، نفت، گاز و نیروگاه ها) در ۴۰ سال اخیر داشته است. در ۲۰ سال اخیر، با پیشرفت­هایی در زمینه تکنولوژی مواد، خنک­کاری، پوشش ­های جدید و اضافه کردن. سیستم های الحاقی به سیکل ساده، راندمان این سیکل ها از ۱۵ % به بیش از ۴۵ % رسیده است ]۴[.
در سال ۱۸۰۸ جان دامبال یک توربین چند مرحله­ ای را خیال پردازی کرد. متاسفانه ایده او فقط شامل تیغه­های متحرک بدون ایرفویل­های ثابت (برای چرخش جریان به سمت هر مرحله متوالی) بود. تشخیص احتیاج به این مراحل ثابت میان هر مرحله چرخشی، او را مجبور کرد که یک توربین جریان محوری را سازمان دهی کند. در سال ۱۸۳۷ در پاریس، طبق نظر بریسون از یک فن استفاده شد تا هوای فشرده وارد شونده به محفظه احتراق بدست آید. از این طریق بود که هوا با سوخت ترکیب شد تا محترق شود. این محصولات حاصل از احتراق با هوای بیشتر خنک می­شدند و این محصول نهایی برای راندن پره­های توربین استفاده می­شد. در ۱۸۵۰ در انگلستان، فرنیموق یک ترکیبی از توربین­گاز و بخار را پیشنهاد کرد که هوا از میان شبکه زغال سنگ دمیده شده و آب به داخل هوای داغ اسپری می­گردد. ترکیب گاز و بخار سپس به عنوان راننده یک روتور دو تیغه­ای عمل می­ کند. در سال ۱۸۷۲ فرانز استولز ایده باربر و دامبل را ترکیب کرد تا اولین کمپرسور محوری با محور راننده توربین را توسعه دهد. به علت کمبود بودجه، او نتوانست دستگاه خود را تا سال ۱۹۰۰ بسازد. طرح فرانز استولز شامل یک کمپرسور جریان محوری چند مرحله­ ای، یک محفظه احتراق، یک توربین محوری چند مرحله­ ای و یک مولد بازیاب برای گرمایش هوای خروجی از کمپرسور بود. این مدل در سال های ۱۹۰۰ تا ۱۹۰۴ تست شد، اما با موفقیت کارنکرد [۵[.