دانشگاه شهید بهشتی
داشنکده مهندسی مکانیک و انرژی
پایاننامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک
تبدیل انرژی
طراحی بهینه بویلربازیاب حرارتی دو فشاره و آنالیز 3E سیکل ترکیبی با تزریق بخار به اتاق احتراق در توربینهای گاز کلاس V94.2-LM14700-PG9351FA
استاد راهنما:
دکتر محمدعامری
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
در سالهای اخیر با توجه به اهمیت یافتن انرژی، گرم شدن کرهی زمین و آلودگی محیط زیست و منابع تولید آن و رشد روز افزون نیاز صنایع مختلف به شکلهای گوناگون انرژی و همچنین حجم گسترده مصرف کنندگان آن در سراسر دنیا نیاز به ارائه الگوهایی جهت بهینه نمودن مصرف و تولید انرژی احساس شد.
با بهره گرفتن از آنالیز اگزرژی، اگزرژی اقتصادی و محاسبهی میزان تولید Nox و Co سیکل ترکیبی مورد ارزایابی قرارگرفت. که نتایج نشان می دهند اتاقک احتراق بیشترین تخریب اگزرژی(MW 145) و بویلربازیاب حراراتی پس از آن بیشترین هزینه تخریب اگزرژی را به سیکل وارد می کند. در بررسی اثرات محیط زیست که با کارکرد نیروگاه سیکل ترکیبی در بارهای جزئی میزان تولید این آلایندهها افزایش مییابد. با افزایش دمای محیط نیز میزان تولید Nox افزایش ولی میزان تولید Co کاهش خواهد یافت. در بررسیهای مربوط به اثرات تولید Co2 نتایج نشان دادند که استفاده از سیکل ترکیبی نقش بسزایی در کاهش گرمایش زمین دارد. در این قسمت نیز با تغییر سوخت حساسیت تولید گازهای گلخانهای به همراه به بهینهسازی کل سیکل ترکیبی صورت پذیرفت.
همچنین در این کار ابتدا با توجه به تأثیر شرایط محیطی بر روی توربین گاز در سیکل ترکیبی به بررسی نتایج طراحی بویلربازیاب حرارتی در حالت ایزو و شرایط نیروگاه دماوند در نزدیکی تهران پرداخته و طراحی بویلربازیاب با نتایج این نیروگاه در این منطقه اعتبار سنجی شد. که نتایج نشاندهندهی کاهش شدید توان خالص از 237 به 207 مگاوات در نیروگاه سیکل ترکیبی است. در نتیجه با توجه به اینکه یکی از مشکلات اساسی در سیکلهای ترکیبی عدم توانایی تولید ماکسیمم در شرایط سایت و عدم آمادگی در تولید توان برای شبکهی قدرت میباشد. در نتیجه با توجه به مشکلات پیش رو در این کار افزایش توان در سیکل پایین دست با کاهش افت فشار سمت گاز بر روی توربین گاز و افزایش توان به واسطهی تزریق بخار به داخل اتاق احتراق و در سیکل بالا دست با افزایش تولید بخار با توجه به تغییر دمای پینچ و اپروچ بدون عدم تزریق سوخت اضافی در سیکل ترکیبی مد نظر میباشد. در تابع هزینه موجود علاوه بر هزینه تولید اثرات زیست محیطی هزینه ساخت HRSG تخریب اگزرژی آن در نظر گرفته شده است. بهینهسازی با توابع هدف که ضرایب وزنی دو تابع هزینه قیمت، معکوس راندمانهای اگزرژی و حرارتی کل سیکل در نظر گرفته شده است نشان میدهد که توان به میزان حداکثر 2 مگاوات توان خالص تولید را به گونهای افزایش دهد که هزینهها به شدت کاهش یابد. همچنین سیکل ترکیبی در بارهای نسبی نیز بهینهسازی شد و مقدار پاشش و پارامترهای سیکل بهینه برای بارهای100%، 75% و 50% نیز محاسبه شدند که به ترتیب مقدار بهینه پارامتر X=s/f (نسبت بخار به سنبت سوخت)برابر 20%، 21% و 19% است.
کلمات کلیدی: سیکل ترکیبی، بویلربازیاب حرارتی، آنالیز اگزرژی، اثرات محیط زیست، بهینهسازی، تزریق بخار.
فهرست مطالب
1-1. مقدمه ای بر اگزرژی، اگزرژی اقتصادی.. 2
1-1-1. مقدمه ای بر بهینه سازی سیکل نیروگاهی و بویلر بازیاب حرارتی (HRSG) 3
1-1-2. بویلر بازیاب حرارتی (HRSG) 3
1-2. مقدمه ای بر اثرات زیست محیطی و کاهش CO2 و NOx 5
1-3. مقدمه ای بر تزریق بخار به داخل اتاق احتراق. 6
فصل2 . مدل سازی هوا، انواع سوخت ها، احتراق سوخت گاز و مایع. 8
2-3-2. خواص ترمودینامیکی و فیزیکی هوا 9
2-3-2-2-2. مدل سادرلند با دو ثابت.. 11
2-3-2-2-3. قانون سادرلند با سه ثابت.. 11
2-4. سوخت های مایع و مدل سازی آن ها 13
2-5. سوختهای گازی و مدل سازی آن ها 15
2-5-1. خواص فیزیکی شیمی سوخت های گازی.. 16
2-5-1-3. حدود اشتعال پذیری.. 18
2-6-1. معادلهی احتراق برای سوخت گاز 20
2-6-2. انتخاب بهترین سناریو برای معادلهی احتراق در سوخت های مایع. 21
2-6-3-1-2. افت فشار در اتاقک احتراق. 22
2-6-4. محاسبه ی دمای آدیاباتیک شعله. 22
2-6-5. مقایسه نتایج احتراق گاز طبیعی و نفت کوره 23
فصل3 . مقدمه ای بر آنالیز اگزرژی. 25
3-2. کار در دسترس از دست رفته. 25
3-3-2. سیکل موتورهای حرارتی.. 32
3-3-4. چرخه های پمپ حرارتی.. 36
3-5-2. تخریب اگزرژی و تلفات اگزرژی.. 45
فصل4 . آنالیز انرژی و اگزرژی اجزاء سیکل و بویلر بازیاب حرارتی (HRSG) 47
4-2. آنالیز انرژی هر یک از اجزاء سیکل.. 48
4-2-1. مشخصات توربین گازی.. 48
4-2-3. محفظه احتراق با تزریق بخار 50
4-2-6. بویلر بازیاب حرارتی(Heat Recovery Steam Generator) 53
4-2-6-1. سوپر هیتر فشار بالا(HP HT Superheater) 53
4-2-6-2. سوپر هیتر فشار پایین(HP LT Superheater) 54
4-2-6-3. اواپراتور فشار بالا(HP 2st Evaporator) 54
4-2-6-4. اواپراتور فشار پایین (HP 1st Evaporator) 54
4-2-6-5. اکونومایزر فشار بالا(HP 2st Economizer) 54
4-2-6-6. اکونومایزر فشار پایین(HP 1st Economizer) 54
4-2-6-7. سوپر هیتر فشار پایین(HP LT Superheater) 54
4-2-6-8. دی اریتور(FW Storage tank) 55
4-2-6-9. هیترCondensate perheoter. 55
4-2-9. پمپ(Boiler feed Pump) 55
4-2-10. پمپ (Condensate Pump) 56
4-4. آنالیز اگزرژی برای سیکل ترکیبی.. 56
4-4-2. محاسبات اتلافات اگزرژی در کل سیکل.. 57
4-4-2-1. محاسبات بازگشت ناپذیری ها در سیکل گاز 57
4-4-2-1-1. اتلاف اگزرژی در کمپرسور 57
4-4-2-1-2. اتلاف اگزرژی در اتاقک احتراق بدون تزیرق بخار 58
4-4-2-1-3. اتلاف اگزرژی در توربین گاز 58
4-4-3. اتلافات مربوط به سیکل بخار 58
4-4-3-1-1. اتلاف اگزرژی در داکت برنر. 58
4-4-3-1-2. اتلافات اگزرژی مربوط به بویلر بازیاب حرارتی HRSG.. 58
4-4-3-1-3. اتلافات اگزرژی مربوط به توربین بخار 62
4-4-3-1-4. اتلافات اگزرژی مربوط به کندانسور 62
4-4-3-1-5. اتلاف سیستم خنک کن.. 63
4-4-3-1-7. اتلافات در پمپCEP وBFP. 63
4-4-4. تأثیر دمای محیط بر راندمان اگزرژیکی HRSG.. 65
4-4-6. مقایسه اتلاف کلی در حالت Fired و UnFired. 66
فصل5 . آنالیز اگزرژی اقتصادی. 71
5-1. هزینه سرمایه گذاری کلی(TCI) 71
5-1-1. هزینه خرید تجهیزات(PEC) 72
5-1-1-1. استفاده از نمودارهای تخمین قیمت.. 74
5-1-1-2. تأثیر اندازه قطعات بر قیمت تجهیزات.. 76
5-1-2-2. هزینه تنظیمات و کنترل. 77
5-1-2-3. هزینه تجهیزات و مواد الکترونیکی.. 77
5-1-2-4. هزینه خرید و یا اجاره زمین.. 78
5-1-2-5. هزینه های مربوط به امور عمرانی، ساختمانی و معماری.. 78
5-1-3. هزینه های مربوط به تجهیزات کمکی.. 78
5-1-4. هزینه های مربوط به امور مهندسی و نظارت و سرپرستی.. 78
5-1-5. هزینه احداث بنا با منظور کردن اجرت پیمانکار 79
5-1-6. هزینه ناشی از حوادث احتمالی.. 79
5-1-7. هزینه راه اندازی سیستم. 79
5-1-9. هزینه کسب مجوز و هزینه بخش تحقیق و توسعه. 79
5-1-9-1. هزینه ناشی از کمبود بودجه تخمین زده شده در طول ساخت و ساز 80
5-2. روابط ساده شده مربوط به سرمایه گذاری اولیه طرح. 80
5-3-2. محاسبه ی نرخ قیمت استهلاک تجهیزات.. 82
5-4-1. جریان های ورودی و خروجی.. 84
5-5. نرخ های قیمت سوخت و محصول. 85
5-6-2. فاکتور فنی اقتصادی.. 87
5-7. محاسبه ی قیمت خرید تجهیزات.. 88
6-1. اگزرژی و اثرات زیستمحیطی.. 89
6-1-2. آنالیز اگزرژی زیستمحیطی.. 89
6-1-2-2. منوکسید کربن(Carbon Monoxide) 91
6-1-2-2-3. تأثیر دمای هوای محیط.. 92
6-1-2-2-4. تأثیر دیوار خنک کننده با هوا 93
6-1-2-2-5. تأثیر اتمیزه کردن سوخت.. 93
6-1-2-2-6. هیدرو کربنهای نسوخته(Unburned Hydrocarbons) 93
6-1-2-2-8. تأثیر اتمیزه کردن سوخت.. 94
6-1-2-3-2. تأثیر درجه حرارت هوای ورودی.. 96
6-1-2-3-3. تأثیر زمان اقامت.. 97
6-1-2-3-4. تأثیر فشار بر روی تشکیل اکسیدهای نیتروژن. 98
6-1-2-3-5. تأثیر اتمیزه کردن سوخت در میزان تولید اکسیدهای نیتروژن. 99
6-1-3. کاهش مواد آلاینده در اتاقک احتراق متعارف.. 101
6-2. مدل کردن و روابط مربوط به اکسید نیتروژن و کربن منواکسید. 101
6-2-1. رابطه تولید اکسید نیتروژن و منو اکسید کربن.. 102
6-3. مقایسه انتشار گازهای تولیدی سیکل توربین گاز و سیکل ترکیبی.. 104
6-4. مقایسه انتشار گازهای تولیدی سیکل ترکیبی در حالت Fired و UnFired. 105
فصل7 . طراحی بویلربازیاب حرارتی. 107
7-2. محاسبه ضریب انتقال حرارت داخل لوله ها(hi) 107
7-4. محاسبه ضریب انتقال حرارت گاز(ho) 111
7-5. ضریب انتقال حرارت تشعشعی(hr) 111
7-6. ضریب انتقال حرارت جابجایی(hc) 116
7-9. محاسبه ضرایب انتقال حرارت و افت فشار در سطوح فین دار 119
7-10. محاسبه راندمان فین و کارایی سطوح فین دار 121
7-11. محاسبه دمای پایه فین و دمای نوک فین.. 122
7-11-2. بحث روی Pinch Point و Approach Point 123
7-11-3. نکات قابل توجه در طراحی بویلرهای بازیاب.. 126
7-11-4. تعیین مشخصه های ترمودینامیکی بویلربازیاب.. 127
7-12. بررسی بویلر های بازیاب از جنبه های مختلف.. 128
7-12-1. افزایش راندمان بویلر بازیاب.. 128
7-12-2. بررسی دبی های مختلف جریان بخار در بویلر بازیاب.. 128
7-12-3. برسی چیدمان های مختلف اجزای بویلربازیاب.. 129
7-12-4. مقایسه پارامترهای بویلر و بویلرهای بازیاب در بارهای مختلف.. 129
فصل8 . بهینه سازی چند هدفه با الگوریتم ژنتیک.. 131
8-1-1-1. بهینهسازی کل سیکل ترکیبی.. 131
8-1-1-1-1. راندمان اگزرژی سیکل ترکیبی.. 132
8-1-1-1-2. نرخ تابع هزینه. 132
8-1-1-1-3. تابع مربوط به انتشار گاز Co2 132
8-1. متغیرهای تصمیم گیری.. 132
فصل9 . نتیجه گیری و پیشنهادات. 137
9-1. بررسی عملکرد سیکل ترکیبی با تغییر سوخت.. 137
9-1-2. نتایج حاصل از بهینه سازی.. 141
9-2. نتایج حاصل از تزریق بخار به داخل اتاق احتراق. 144
9-3-1. آنالیز حساسیت بر روی پارامترهای اصلی سیکل ترکیبی همراه با تزریق بخار 151
9-3-2. آنالیز حساسیت بر روی پارامترهای طراحی بویلربازیاب حرارتی.. 157
9-3-2-1. پارامترهای سیکل بخار 157
9-3-2-2. تأثیر پارامترهای بویلربازیاب بر روی تلفات توان. 158
9-4. بحث بر روی انتخاب توابع هدف.. 164
9-5. بررسی عملکرد سیکل ترکیبی در حالت بار نسبی (Part Load) 167
ضمیمه2 قیمت اجزاء سیکل ترکیبی. 189
ضمیمه3 طراحی بویلربازیاب حرارتی در بارهای نسبی. .
با توجه به مزیتهای سیكل تركیبی، تعداد و توان این نوع نیروگاهها در حال پیشی گرفتن از سایر انواع نیروگاهها است. در معمولترین این سیكلها، سیكل توربین گاز برایتون سیكل فوقانی توربین بخار رانكین میباشد. سیكل تركیبی حاصل بازدهی حرارتی و توان بالاتری، نسبت به هر یك از سیكلهایی كه به تنهایی كار میكنند، را دارند. سیكلهای رانكین دارای این مزیت هستند كه نسبت كار برگشتی آنها بسیار كمتر از نسبت كار برگشتی در سیكلهای برایتون است. چرا که در نیروگاههای بخار، مایعی كه پمپ جابهجا میكند حجم مخصوص كمی دارد در حالی كه حجم مخصوص بخاری كه در توربین جریان دارد چند برابر بزرگتر است. از این رو كار خروجی از توربین بخار بسیار بیشتر از كار ورودی به پمپ است و نسبت كار برگشتی بسیار كوچك است، اما در نیروگاههای گازی، سیال عامل (معمولاً هوا) در حالت گازی متراكم میشود كه حجم مخصوص آن بالا است در نتیجه بخش قابل ملاحظهای از كار خروجی توربین گاز به وسیله كمپرسور مصرف میشود و نیروگاه گازی كار كمتری را به اندازه واحد حجم سیالِ عامل تولید میكند. در مقابل پایین بودن دمای بحرانی آب (كه معمولترین سیال عامل در سیكلهای بخار میباشد) و محدودیت دمای ماكزیمم مجاز متالورژیكی در نیروگاههای بخار، سبب شده است كه سیكلهای توربین گاز واقعی به طور قابل ملاحظهای در دماهای بالاتر از سیكلهای بخار كار كنند. بیشترین دمای سیال عامل در ورودی توربین برای نیروگاههای بخار در حدود 540 تا 650 میباشد درحالی که همین دما در نیروگاههای گازی در حدود k1100 تا k 1650 است [1].
بنابراین سیكلهای توربین گازی به دلیل دمای میانگین بالاتر در فرآیند ورود گرما، قابلیت ایجاد بازده حرارتی بالاتری را دارند. نقطه ضعف این سیكلها در این است كه سیال عامل، توربین گازی را در دماهای بسیار بالایی ترك میكند (در حدود 500). این عیب باعث میشود كه از پتانسیل دریافت گرما در دماهای بالا كه خاصیت این سیكلها است به درستی استفاده نشود و بازده این سیكلها از سیكلهای بخار پایینتر باشد. برای بهره گیری از انرژی گازهای خروجی و بهبود بازده سیكلهای گازی (معمولاً برایتون) میتوان از بازیاب استفاده كرد، ولی باید توجه كرد كه استفاده از بازیاب منحصراً موجب افزایش بازده میشود و توان خروجی را افزایش نمیدهد. در حقیقت، به دلیل افت فشار بیشتری كه بویلربازیاب حرارتی[1] به سیكل تحمیل میكند، استفاده از آن موجب كاهش نسبت فشار توربین و در نتیجه كاهش توان خالص خروجی به میزان چند درصد میشود. توجه شود كه در صورت به كارگیری بازیاب نسبت فشار بهینهای كه منجر به ماكزیمم شدن بازده حرارتی میشود به مقادیر كوچكتری میل میكند.
در سال 1983 مولفین واژهی اگزرژی اکونومیک را برای صراحت بیشتر و مشخصه غیر مبهم ترکیب تحلیل اگزرژی با تحلیل اقتصادی ابداع کردند. برای اولین بار تربوس و السیر مفهوم ترمواکونومیک را بیان کردند. مطالعات انجام گرفته در ارتباط با هزینه در سال 1988 توسط کتاس [2] و زارگوت در کنفرانسهای انجمن مهندسان مکانیک آمریکا ارائه شده است همچنین موران [3]در زمینه تحلیل اگزرژی تحقیقات فراوانی انجام داده است. فیاسچی و مانفریدا [4]در آنالیز خود برای سیکل نیمه بسته توربین گاز نشان دادند که تزریق آب و بازیاب آب مهمترین منابع اتلاف اگزرژی هستند و روی هم رفته 80% کل بازگشت ناپذیریها را در سیکل به خود اختصاص می دهند آنها هم چنین راندمان قانون دوم را برای سیکل هنگامی که هیچ گونه بخاری در سیکل تزریق نمیشد تا زمان تزریق کامل را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که در تزریق کامل بیشترین برگشت ناپذیری را در سیکل میتوان مشاهده کرد.
ایده اقتصاد اگزرژی در سال 1932 میلادی توسط کینان پیشنهاد گردید وی مفهوم اگزرژی را برای برای تقسیم هزینه بر حسب قدرت الکتریکی و بخاری که در نیروگاه تولید میشود به کار برد. او به این نکته اشاره می کند که از دیدگاه اقتصادی الکتریسیته و بخار با توجه به کار مفیدی که انجام می دهند قابل مقایسهاند و نه با توجه به انرژی آنها. مقاله ارئه شده توسط بندیکت در سال 1949 ارزش اقتصادی تخریب اگزرژی و استفاده از آن در جهت بهینهسازی سیستم جدا ساز هوا مورد توجه قرار گرفت تحقیقات اگزرژی بعدها توسط تریبوس و ایونس از دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس آمریکا و سپس توسط ابرت و گالیگولی در دانشگاههای ویسکانس در مدیسون آمریکا ادامه یافت برمین و اشمیت در سال 1980 برای بهینه نمودن پیش گرمکنهای آب تغذیه از نسبت دادن ارزش اقتصادی به تخریب اگزرژی استفاده نمودند. در سال 1982 فرانسر، کلودتیز و با بهره گرفتن از کارهای تریبوس و ایونس اقتصادی اگزرژی را در طراحی مبدلهای حرارتی به کار بردند در سال1983، واژهی اقتصادی اگزرژی را برای ارزش اقتصادی اگزرژی به جای واژه اقتصاد ترمودینامیکی پیشنهاد نمودند. بسیاری از دانشمندان پیشنهاد کردهاند که عملکرد ترمودینامیکی فرآیند بهتر است با انجام یک تجزیه و تحلیل اگزرژی انجام پذیرد زیرا تجزیه و تحلیل اگزرژی برای ارائه بینش بهتر مفیدتر به نظر میرسد.
دینسر[2] و المسلم [3] [5] سیکل رانکین همراه با ریهیتر را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و تغییرات راندمان انرژی و اگزرژی در شرایط عملیاتی مختلف (به عنوان مثال، درجه حرات و فشار بویلر) را مورد بررسی قرار دادند. روزن[4] و دینسر گرمایش فرآیندهای صنعتی با بخار آب را از طریق تجزیه و تحلیل اگزرژی مورد مطالعه قراردادند و به این نتیجه رسیدند که تجزیه و تحلیل اگزرژی را باید به عنوان ابزار اصلی در بهینهسازی فرآیندهایی که مقادیر زیادی از بخار در مراکز انرژی استفاده میشود مورد توجه قرار داد.
تعداد صفحه : 200
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * asa.goharii@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
در صورتیکه با پرداخت آنلاین مشکلی دارید می توانید مبلغ مربوط به هر فایل را به شماره کارت 6037991199500590 به نام خيريه محک واريز کرده و تصوير پرداختي و عنوان فايل درخواستي را به ایمیل asa.gohari@gmail.com
ارسال کرده تا فايل برایتان ارسال شود.