مقطع کارشناسی ارشد : دانلود فایل ها با موضوع مدلسازی ریاضی و ارائه ... |
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[.
فرم در حال بارگذاری ...
[دوشنبه 1400-09-29] [ 05:18:00 ق.ظ ]
|