متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی مکانیک

گرایش : مهندسی سیستم های انرژی

عنوان : استفاده از روش های تركیبی با دیدگاه آنالیز اگزرژی به منظور اصلاح سیكل توربین گازی با تولید همزمان آب شیرین در سیستم تقطیر چندمرحله ای و امكان سنجی اقتصادی آن

دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی

دانشكده مهندسی مكانیك

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی سیستمهای انرژی

عنوان:

 استفاده از روش های تركیبی با دیدگاه آنالیز اگزرژی به منظور اصلاح سیكل توربین گازی با تولید همزمان آب شیرین در سیستم تقطیر چندمرحله ای و امكان سنجی اقتصادی آن

اساتید راهنما:

دکتر مجید عمیدپور  

دکتر مسعود ضیاء بشرحق

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)

فهرست مطالب:

فصل1 مقدمه …………………………………………………………………………………1  

مقدمه………………………………………………………………………………………..2

فصل2 طراحی ترمودینامیكی و تحلیل اگزرژی سیكل توربین گازی…………………….10

2-1. مقدمه…………………………………………………………………………………..11

2-2.مدل ترمودینامیكی سیكل……………………………………………………………..11

2-2-1كمپرسور……………………………………………………………………………..12

2-2-2 بررسی آنالیز اگزرژی توربین گازی……………………………………………….15

2-2-3 بهبود عملكرد سیكل……………………………………………………………..17

2-3 سیستم تبرید جذبی لیتیوم-بروماید………………………………………………21

2-4بررسی یك مرحله از واحد آب شیرین كن تبخیری با افت ناگهانی فشار………..24

.2-4-1- مدلسازی ریاضی فرایند آب شیرین كن تبخیری با افت ناگهانی فشار……..28

فصل3 امكان سنجی تولید آب شیرین نیروگاه خیج فارس……………………………..32

3-1. مقدمه……………………………………………………………………………………33

3-2.تعیین محل آب گیری در دریا…………………………………………………………..34

3-2-1. وضعیت امواج……………………………………………………………………….34

3-2-2جزر ومد………………………………………………………………………………34

3-2-3 تعیین موقعیت سایت………………………………………………………………34

3-2-4 تعیین روش مناسب آب گیری از دریا……………………………………………35

3-2-5 تعیین محاسبات بالانس حرارتی بویلر بازیاب…………………………………..36

3-2-6تعیین مشخصه های ترمودینامیكی بویلر بازیاب………………………………37

3-2-7استفاده از برق تولیدی بویلر بازیاب……………………………………………..38

3-2 فاكتورهای موثر در هزینه های تولید………………………………………………..38

فصل4 بررسی اقتصاد واحد تولید همزمان برق و آب شیرین……………………………41

4-1. بررسی اقتصاد آب شیرین كنها………………………………………………………42

4-1-1 روش MSF…………………………………………………………………………..

4-2.بررسی هزینه های سرمایه گذاری در انواع مختلف آب شیرین كنها…………….45

فصل5 روش های بهبود عملكرد سیكل توربین گازی با هدف گذاری در نقطه بهینه………48

5-1. سیستم تبرید جذبی…………………………………………………………………49

5-1-1. مقدمه……………………………………………………………………………….49

5-2-. اثرات تغییردما بر پارامتر های عملكردی توربین گازی…………………………50

5-3 مزایا و معایب…………………………………………………………………………52

5-4. طرح فنی سیستم سرما ساز…………………………………………………….53

5-5. نتایج حاصل از شبیه سازی درASPEN……………………………………………

5-6 محاسبات اگزرژی در واحد تولید توان و آب شیرین……………………………..60

5-6-1 محاسبات اگزرژی در بویلر احتراق كمكی……………………………………….67

5-7 هزینه های احداث و نصب بویلر بازیاب……………………………………………..67

5-8سیستم عملكردی یك واحد تبرید جذبی لیتیوم-بروماید………………………..68

5-9نتایج حاصل از بهره برداری از دو واحد  MSFبا افزایش ظرفیت بار در یك واحد توربین…71

5-10محاسبه بار سرمایشی………………………………………………………….78

5-11 بررسی وضعیت آب وهوایی محل استقرار نیروگاه……………………………82

5-12 آنالیز اقتصادی………………………………………………………………85

5-13تحلیل و ارزیابی ترمودینامیكی فرایند خنك كاری لایه ای توربین بر عملكرد سیكل..86

5-14مطالعه فرایند خنك كاری…………………………………………………………88

515 مدلسازی توربین………………………………………………………………..90

5-16مدل خنك كاری داخلی…………………………………………………………..92

5-17 مدل خنك كاری نفوذی………………………………………………………….92

5-19 تحلیل ترمودینامیكی سیكل…………………………………………………….95

5-20تجزیه وتحلیل نتایج……………………………………………………………….98

5-21پارامتر های انتخاب سیستمی برای واحدهای آب شیرین كن……………….109

5-22 مقایسه سیستم اسمز معكوس با سیستم تبخیر چند مرحله ای………….109

5-23 نتیجه گیری…………………………………………………………………….113

مرجع ومنابع……………………………………………………………………114

چکیده:

در حال حاضر در کشور ایران توربین های گازی زیادی در حال تولید انرژی الکتریکی می باشند که راندمان آنها در حدود 30% تا 40%  بسته به شرایط محیطی و عملکردی است، در واقع دو سوم از این انرژی حاصل از احتراق سوخت از طریق دود خروجی و اتلافات حرارتی هدر می رود. جهت افزایش راندمان این توربین های گازی و صرفه جویی در مصرف سوخت می توان از دود خروجی جهت راه اندازی واحدهای تولید آب شیرین بهره برد. تعداد نسبتا قابل توجهی از این نیروگاه ها در مناطقی از کشور واقع شده که دسترسی به آب شور نیز وجود دارد. در این راستا می توان اصلاحاتی را نیز جهت افزایش راندمان سیکل توربین گاز پیشنهاد داد. هدف عمده در این پایان نامه ، ترکیب واحد تولید آب شیرین با سیکل اصلاح شده در نیروگاه توربین گازی خلیج قارس می باشد که افزایش راندمان بازیافت حرارت و تولید بهینه آب شیرین را نتیجه خواهد داد. ابتدا با بهره گرفتن از یک بویلر بازیاب دود خروجی توربین گاز جهت تولید بخار مورد نیاز واحدهای آب شیرین کن استفاده می شود. با توجه به درصد شوری آب مورد استفاده در واحدهای شیرین سازی آب و شرایط اقلیمی وپارامترهای عملکردی نیروگاهی میتوان آب شیرین را با درجه خلوص مطلوب تولید کرد. در این پروژه واحد ابشیرین كن تبخیر چندمرحله ای به منطور تولید اب شیرین و استفاده از حرارت بازیافت در  نظر گرفته شده است.همچنین امكان سنجی اقتصادی استفاده همزمان از سیستم ابشیرین كن اسمز معكوس بررسی میشود.نیروگاه خلیج فارس یك نیروگاه سیكل تركیبی است كه در حال حاضر به صورت سیكل باز (توربین گاز) بهره برداری میشود و دارای 6 واحد توربین گاز با قدرت نامی هر واحد 165 مگاوات است.نیروگاه در فاصله 20 كیلومتری دریا قرار دارد و سیستم خنك كن از نوع هوایی است.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

توربین گاز مولد نیرویی است كه مقدار زیادی انرژی را نسبت به ابعاد و وزنش تولید میكند. این وسیله دربیست سال گذشته خدمات قابل توجهی را در عرصه های صنعت و تكنیك ارائه نموده است.

امروزه كاربرد توربین های گاز در نیروگاه ها و به عنوان مولد برق بسیار با ارزش وحیاتی میباشد.

علاوه بر ان در صنایع دیگر مانند صنایع پتروشیمی،صنایع فضایی،سكوهای دریایی،ترن ها و غیره كاربرد گسترده ای پیدا كرده است.در مورد معایب توربین گازی میتوان به پایین بودن بازدهی و لزوم تعمیرات اساسی بعد از تعداد ساعات كاركرد كمتر و تغییرات قدرت و بازدهی ان بر اساس تغییرات جوی اشاره نمود. امارهای موجود حاكی از ان است كه در حدود 38 درصد از ظرفیت نیروگاه های كل كشور از طریق  176 واحد توربین گازی با ظرفیت اسمی 9500 مگاوات تامین میشود. اما به علت شرایط اب و هوایی كشور خصوصا در مناطق مركزی و جنوب كه عمدتا تابستانهای گرم و طولانی دارد این توربینها با افت قدرت و بازدهی مواجهه میشوند. به طوریكه میتوان گفت حدود 1900 مگاوات(20 درصد توان اسمی) از ظرفیت توربین گازی در این فصول كاهش می یابد.

تئوری توربین های گازی خیلی زودتر از زمانیكه امكانات تكنولوژیكی به مهندسین توانایی ساخت آنها را فراهم اورد،مطرح شد.در حال حاضر كاربرد توربین های گاز بسیار متنوع و گسترده شده است و آنها را به یك وسیله قابل اعتماد و موثر در ابزار مولد قدرت تبدیل كرده است.یكی از اصول اساسی در طراحی، اصل صرفه جویی انرژی و بهینه سازی مصرف است.یكی از روش های تولید اب شیرین استفاده از انرژی خروجی اگزوزهای توربین گازی میباشد

در این روش ضمن جلوگیری از اتلاف انرژی ، آلودگی محیط زیست نیز كاهش می یابد.تا كنون كوششهای زیادی در جهت افزایش عملكرد توربین های گازی انجام شده است و برای بهبود كارایی بیشتر توربین در اجزاء مختلف توربین اصلاحاتی صورت گرفته شده  به نظر می رسد با توجه به وضعیت نیروگاه های کشور نیروگاه های گازی بهترین گزینه موجود می باشند. توربینهای گازی به دلیل مزایایی نظیر راندمان بالا، توان تولید نسبتا زیاد، قابلیت استفاده مستقیم از گاز طبیعی به عنوان سوخت و هزینه سرمایه گذاری نسبتا پایین، امكان استفاده در سیكلهای تركیبی و سیستمهای تولید همزمان توان و حرارت به عنوان یكی از مهمترین و پر استفاده‌ترین ابزار تولید توان مطرح می باشند. توربینهای گازی در موارد بسیاری چون نیروگاه های تولید برق و ایستگاه های افزایش فشار گاز طبیعی به كار گرفته می شوند

بر طبق امار ارائه شده در 80 درصد توربین های گازی از انواع صنعتی بزرگ كه در سراسر جهان در حال كار هستند در بین سالهای 1965 تا 1975 راه اندازی و مورد استفاده قرار گرفته اند. این توربین ها كه تعدادشان نیز قابل توجه است، كاندیدهای مناسب و ایده ال برای اعمال تكنیك های جدید هستند. تغییرات و پیشرفت های موجود در جهت افزایش راندمان، كاهش آلودگی، توجه به مسائل زیست محیطی واستفاده هر چه بهتر از قابلیت كاردهی انرژی موجود میباشد.

در سالهای اخیر، حجم زیادی از مقالات و پروژه های پژوهشی در کشورهای حاشیه خلیج فارس و شمال آفریقا به استفاده از انرژی های نو و انرژی های بازیافت شده در صنعت برای تولید آب شیرین اختصاص یافته است.

یکی از مهمترین مسائل در طراحی و اجرای اینگونه طرحها توجه به کیفیت آب شور مورد استفاده، شرایط جغرافیای محل اجرای طرح و جانمایی نیروگاه می باشد. ضمن اینکه ظرفیت تولید آب شیرین که تابعی از توان خروجی نیروگاه وهزینه های مستقیم وغیر مستقیم می باشد خود نیاز به پژوهش تخصصی را نشان میدهد.سیستمهای دو منظوره به طور گسترده ای برای تولید همزمان آب و توان مورد استفاده قرار میگیرد. در ان سیستمها بخار در دما و فشار بالا در یك توربین گازی منبسط میشود و تولید توان قبل از شیرین سازی اب صورت میگیرد. چیدمانهای مختلف از این سیستمهای دو منظوره قابل دسترسی است تولید توان توسط انرژی حرارتی گازهای احتراقی در توربین راهبری شده و  از خروجی به منطور تولید بخار در محدوده فشار كم تا متوسط در دیگ بازیافت استفاده میشود. انتخاب یك سیستم تولید همزمان نیاز به ارزشگذاری فاكتورهای اقتصادی و ترمودینامیكی دارد. نسبت تولید توان به آب شیرین در سیستمهای دومنظوره تجاری به طراحی واحد بستگی مستقیم دارد.این نسبت در یك سیستم دو منظوره توربین گازی و ابشیرین كن تبخیری چند مرحله ای از 8 مگاوات به ازای یك میلیون گالن انگلیسی در روز تا حدود 20 مگاوات متغیر است

 سیكل توربین گازی با  هدف تولید همزمان حرارت سبب كاهش مصرف سوخت در مقایسه با سیستمهای مجزای تولید توان و آب شیرین میشود

در  سیستمهای تبخیر ناگهانی چند مرحله ای تبخیر ناگهانی ناشی از كاهش ناگهانی فشار مایعی است كه قبلا درجه حرارت ان به نزدیك نقطه جوش رسیده است.فرایند تبخیر ناگهانی چندمرحله ای به صورت تبخیر آب دریا و میعان بخار حاصله به منظور تولید آب خالص میباشد. سیستم های MSF

به طور معمول شامل سه بخش اصلی به صورت زیر است:

– بخش دفع حرارتHeat Rejection system))

– بخش بازیافت حرارت(Heat Recovery Section )

– بخش انتقال حرارت(Brine Heater)

سیستم های MSF به صورت یكبار گذر و با گردش مجدد وجود دارند.

در مقام مقایسه به دلایل زیر، سیستم با گردش مجدد پساب از سیستم یكبار گذر بهتر است:

1- به خاطر استفاده كمتر از آب دریا،اسید یا مواد شیمیایی مصرفی كمتر است.

2- به دلیل استفاده كمتر از آب دریا،گازهای غیرقابل چگالش كم میشود وهزینه های اجكتور و پمپ خلاء كاهش می یابد و تامین خلاء آسانتر میشود.

3- خوردگی  در اثر گازهای غیر قابل چگالش مانند دی اكسید كربن بر روی سطح داخلی محفظه تبخیر ناگهانی كاهش می یابد.

4- راندمان انتقال حرارت به علت وجود كمتر گازهای غیر قابل احتراق در محفظه بهبود می یابد.

افزایش تعداد مراحل طرح را از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه میكند. میتوان از گازهای خروچی توربین گازی و بخار با فشار پایین به عنوان منبع حرارتی استفاده كرد.

تبخیر ناگهانی موجب میشود دستگاه آب شیرین كن با طول عمر بیشتر و بدون رسوب كار كند  بی آنكه ظرفیت آب تولیدی كم شود،از طرفی میزان رسوب گذاری بر میزان تولید سیستم MSF تاثیری نداشته و این تاثیر در بازدهی حرارتی سیستم ظاهر میشود.

اهم پارامترهای تاثیر گذار در یك سیستم تبخیر ناگهانی شامل ماكزیمم دمای آب شور(TBT) ،دبی آب شور گردشی[1]،دبی و دمای بخار ورودی به بخش انتقال حرارت ، دبی ورودی آب دریا و دماهای ورودی و خروجی آب دریا میباشد.

ماكزیمم دمای آب شور TBT)) مهمترین عامل تعیین كننده عملكرد سیستم MSF است به دلیل محدودیت های ناشی از خوردگی و رسوب گذاری ،این مقدار نباید از حد معینی بیشتر باشد،غلظت و نوع مواد شیمیایی موجود در آب تعیین كننده مقدار حداكثر TBT میباشد در صورت كاهش بیش از حد مقدار TBT،اختلاف فشار لازم در كندانسور خروجی تامین نمیشودو دفع گازهای غیر قابل تقطیر میسر نخواهد شد.دمای آب شور در محفظه تابعی از دمای آب خنك كن،شرایط سطوح انتقال حرارت و عملكرد اجكتور میباشد.

یكی دیگر از پارامترهای كلیدی در طراحی سیستمهایMSF دبی آب شور گردشی میباشد. افزایش دبی آب شور گردشی موجب افزایش نرخ تولید آب شیرین میشود.

اما این امر تاثیر معكوس بر روی نسبت عملكرد[2] سیستم خواهد داشت.این پارامتر به عنوان نسبت آب خالص تولیدی به بخار ورودی به بخش انتقال حرارت تعریف میشود.كاهش بیش از حد دمای آب دریا منجر به كاهش دبی آب ورودی میشود و این مساله سرعت رسوب گذاری در سیستم را زیاد میكند. در اینگونه مواقع مقداری از آب شور دفع شده از سیستم را به آب شور ورودی قبل از بخش دفع حرارت پمپ میكنند كه موجب افزایش دما و سرعت مورد نیاز آب شور ورودی به بخش دفع حرارت میشود

در طراحی پایه ای[3] برای یك  سیستم جدید و در بازسازی[4] سیستم‌های موجود  می‌بایست دستیابی به اهداف زیر تا حد امكان مدنظر قرار گیرد.

1- بیشترین كارایی سیستم 

2- کمترین هزینه کلی

3- كمترین میزان مصرف انرژی 

4- كمترین اثرات مخرب زیست محیطی و انسانی

5- بالاترین ایمنی

6- بالاترین اطمینان از عملكرد مداوم و بدون نقص سیستم 

طبیعتا بررسی اثرات پارامترهای تعیین کننده یك سیستم انرژی بر هر یك از اهداف به صورت مستقل نمی‌تواند ضامن دستیابی به همه اهداف در محدوده‌های تعریف شده باشد لذا لازم است همه اهداف مدنظر به صورت همزمان طی یك فرایند بهینه‌سازی چند هدفه[1] كارآمد مورد بررسی قرار گیرند. بهینه سازی یك عبارت كلی است كه به تلاش برای تعیین پارامترهای اثرگذار یا متغیرهای تصمیم [2] یك سیستم جهت دستیابی به شرایط بهینه[3] عملكرد اطلاق می شود. منظور از شرایط بهینه شرایطی است كه مقدار یك یا چند پارامتر هدف در سیستم بیشترین یا كمترین میزان ممكن را داشته باشد در مطالعه حاضر سیكل توربین گازی به همراه سیستم آبشیرین كن تبخیری چند مرحله ای مورد بهینه سازی قرار گرفته است هدفهای مدنظر در این بهینه سازی دستیابی به بیشینه راندمان اگزرژتیك[4]، كمینه هزینه كلی و دسترسی به حداكثر تولید آب شیرین است.

برای انتگراسیون یك واحد توربین گازی با یك واحد فرایند اصلی ترین هدف كاهش هزینه های عملیاتی سایت است.این كاهش هزینه های عملیاتی عمدتا منجر به افزایش راندمان حرارتی در سایت میشود كه نتیجه آن افزایش توان به ازای حرارت تولید شده و ذخیره بیشتر سوخت است.افزایش تولید توان در این سایتها باعث بهبود توان واردات و صادرات الكتریسیته میشود.در این سیستمها ضمن افزایش همزمان توان و حرارت با انتگراسیون مناسب میتوان اثرات زیست محیطی آلاینده های سیكل را در جهت بهبود استانداردهای محیط زیست ارتقاء داد.برای افزایش قابلیت كاردهی همزمان با تولید حرارت و كاهش هزینه های كلی واحد ابتدا سایز و نوع توربین گازی به عنوان یك متغیركلیدی مد نظر قرار میگیرد. توربین های گازی در سایز و ابعاد مختلف و در حدود 100 مدل متفاوت در بازار موجود است .توربین گازی صنعتی در ظرفیت های بالا به صورت یك شفت مكانیكی موجود است  

در طی انتگراسیون واحد،مجموعه ای از عوامل پیچیده برای یك طراحی موفق مد نطر قرار میگیرد.توربین های صنعتی راندمان پایین تر و هزینه تمام شده كمتر در مقایسه با انواع دیگر توربین ها دارند.از طرفی میزان اكسیژن خروجی از گازهای احتراق،كاربری این توربین ها را محدودتر میكند.

انتخاب نهایی نوع توربین مبنی بر یك موازنه اقتصادی و انرژی درست بین بازدهی فرایند و هزینه های ثابت در سایت است

توربینهای گازی كه به عنوان مولدهای قدرت ار آنها استفاده میشود،علاوه بر كوتاه بودن زمان نصب و راه اندازی نسبت به تغییر شرایط محیط بسیار حساس می باشند و با افزایش هر یك درجه ساتتیگراد دمای ورودی به كمپرسور، 0.7%از قدرت خروجی آنها كاسته میشود.

رشد فزاینده استفاده از توربین گاز در ایران و واقع شدن اكثر آنها در مناطق گرم باعث شده كه عملا بخش قابل توجهی از قدرت اسمی آنها بدون استفاده بماند. همچنین در مناطقی كه از برق سراسری محرومند در ساعات پیك بار دچار مشكل شوند.

بیش از چهار دهه است كه از توربینهای گازی به عنوان مولد الكتریسیته استفاده میشود. كوتاه بودن زمان نصب و راه اندازی این دستگاه ها ،عامل مهمی جهت انتخاب آنها برای تامین سریع برق است.

هم اكنون در كشور ایران توربینهای گازی زیادی در حال تولید برق می باشند كه راندمان آنها حداكثر در حدود 30 درصد است.. البته میزان راندمان ذكر شده  با توجه به شرایط محیط متفاوت خواهد بود.

حساس بودن این دستگاه ها به درجه حرارت سبب شده است كه عملا بخش قابل توجهی از آنها غیر قابل استفاده باقی بماند.

راه های مختلفی جهت افزایش قدرت خروجی از توربین گاز وجود دارد كه برای انتخاب هر یك از آنها بایستی بررسی های فنی و اقتصادی صورت پذیرد. موقعیت جغرافیایی و آب وهوایی،از عوامل مهم انتخاب مكانیزم افزایش قدرت بهینه است.

برای مناطق گرم و مرطوب شیوه سرمایش هوای ورودی نسبت به نواحی گرم وخشك كاملا متفاوت است. لذا اینگونه مطالعات برای هر منطقه به صورت جداگانه و بسته به نوع،مدل و تیپ توربین مشخص میشود.

در این پروژه ابتدا طراحی ترمو دینامیكی و تحلیل اگزرژی و معادلات حاكم در شرایط مختلف عملكردی سیستم ارائه شده است و راهكار های بهبود عملكرد سیكل با تحلیل اگزرژی مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسی سیستم های خنك كننده لیتیوم-بروماید و مفاهیم و معادلات حاكم بررسی ومدلسازی ریاضی شده و در فصل سوم امكان سنجی بهره برداری از نیروگاه خلیج فارس با توجه به موقعیت سایت و آب گیری از دریا هدف مطالعه قرار گرفته و فاكتور های موثر در هزینه های تولید براورد شده است. در فصل چهارم  اقتصاد واحد های مختلف آب شیرین كن همزمان با تولید توان آنالیز اقتصادی شده  و در فصل پنجم روش های بهبود عملكرد سیكل با هدف گذاری در نقطه بهینه توسط نرم افزار Matlab بهینه شده و نتایج حاصل از بهینه سازی سیكل تجزیه و تحلیل شده است.

Multi-Objective Optimization 1

Decision Variables 2

Optimal Conditions 3

Exergetic Efficiency 4

Circulated saline water[1]

1 Performance ratio

Grass-Roots Design 2

Retrofit 3

تعداد صفحه : 134

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 :        *       serderehi@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.