دانلود رایگان مقاله تجزیه و تحلیل عملکرد بر اساس قانون دوم برای یک نیروگاه توان توربین گازی

چکیده

        در این مقاله تحقیقاتی، یک مدلسازی کامل ترمودینامیکی از یکی از نیروگاه های توان توربین گازی در ایران بر اساس روابط ترمودینامیکی انجام شده است. علاوه بر این، یک برنامه کامپیوتری کامل برای اهداف شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Matlab توسعه یافته است. برای ارزیابی عملکرد سیستم، تجزیه و تحلیل اکسرژی و اکسرژی-اقتصادی به منظور تعیین نابودی اکسرژی هر یک از مؤلفه ها و هزینه هر خط جریان از این سیستم ها انجام شده است. یک مطالعه کامل پارامتری نیز به منظور مطالعه اثر پارامترهای طراحی خاص مانند بازده اکسرژی و هزینه کلی نابودی اکسرژی در تغییرات عملکرد سیستم انجام شده است. نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی نشان داد که محفظه احتراق ( CC ) مخرب ترین جزء اکسرژی در مقایسه با اجزای چرخه دیگر است. همچنین، بازده اکسرژی آن کمتر از اجزای دیگر است که با توجه به تفاوت درجه حرارت بالا بین سیال کاری و دمای مشعل است. علاوه بر این، مشخص شد که با افزایش TIT (دمای ورودی توربین گاز) ، نابودی اکسرژی این جزء را می توان کاهش داد. از سوی دیگر، هزینه تخریب اکسرژی که یک تابع مستقیم از نابودی اکسرژی است، برای محفظه احتراق بالا است. اثرات پارامترهای طراحی در بازده اکسرژی نشان داد که افزایش در نسبت فشار کمپرسور هوا و TIT، کل بازده اکسرژی چرخه را افزایش می دهد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که افزایش در TIT از حدود 350 K می تواند به کاهش حدود 22 ٪ در هزینه نابودی اکسرژی منجر شود. بنابراین، TIT، بهترین گزینه برای بهبود تلفات چرخه است.

1. مقدمه

        سیستم های انرژی شامل تعداد زیادی و انواع مختلف تعاملات با جهان خارج از مرزهای فیزیکی آن می شود. بنابراین، طراح باید با بسیاری از مسائل، در درجه اول مرتبط با انرژی، اقتصاد و محیط زیست، به طور اختصاری "3E" روبرو شود. توربین های گازی، یک کاندید مناسب برای واحدهای تولید برق هستند زیرا آنها به طور گسترده ای در هر دو سیکل گاز و سیکل ترکیبی استفاده می شوند. از این رو، مدل سازی ترمودینامیکی و ارزیابی عملکرد توربین های گازی، یک موضوع قابل توجه برای طراحان سیستم های حرارتی است. نیروگاه های توان چرخه ترکیبی (CCPP)، حرارت اگزوز از موتور توربین گازی را برای افزایش خروجی نیروگاه توان و بازده کلی تا 50% استفاده می کند. به تازگی، تجزیه و تحلیل اکسرژی، که بر اساس قانون دوم ترمودینامیک است، با تعیین مقدار مقادیر قابل معکوس برای هر جزء و ارائه بینش بهتر به طراحی سیستم، به عنوان یک ابزار بالقوه برای افزایش درک از عملکرد سیستم شناخته شده است.

        روش تجزیه و تحلیل اکسرژی بر اساس کاربرد همزمان از اولین و قوانین دوم ترمودینامیک است [1]. بحران انرژی از دهه 1970 و تاکید مداوم بر بازده (حفاظت از منابع سوخت) منجر به تعمیرات اساسی به روشی شده است که در آن سیستم های توان تجزیه و تحلیل می شوند و از لحاظ ترمودینامیکی بهبود می یابند [2].

        امروز، بسیاری از تاسیسات تولید برق در حال تلاش برای بهبود بازده و نرخ حرارت در ایستگاه های تولیدکننده موجود حرارتی الکتریکی خود هستند که بسیاری از آنها بیش از 25 سال عمر دارند. اغلب، بهبود نسبت گرمایش تنها در چند درصد مطلوب به نظر می رسد، همانطور که تصور می شود هزینه ها و پیچیدگی چنین اقداماتی ممکن است نسبت به گزینه های گران تر قابل مدیریت باشد. بنابراین، درک بهتر زمانی به دست می آید که یک دیدگاه کامل تر ترمودینامیکی اتخاذ شده باشد، که از قانون دوم ترمودینامیک در رابطه با تجزیه و تحلیل انرژی، از طریق روش اکسرژی استفاده می کند. یکی از متداولترین روشهای مورد استفاده برای ارزیابی بازده یک فرایند تبدیل انرژی، تجزیه و تحلیل اولین قانون است هر چند که نمی تواند محل دستگاه هایی را تعیین کند که در آن نابودی اکسرژی رخ می دهد.

        به خوبی مشخص شده است که اکسرژی را می توان برای تعیین محل، نوع و مقدار واقعی افت اکسرژی (یا تخریب) استفاده نمود. بنابراین، می تواند نقش مهمی در توسعه استراتژی ها و در ارائه دستورالعمل ها برای استفاده موثرتر از انرژی در نیروگاه های موجود توان داشته باشد [3]. علاوه بر این، یک مساله مهم دیگر برای بهبود سیستم های موجود، منشاء افت اکسرژی و اجزائی است که در آن بیشتر تخریب اکسرژی ترین رخ می دهد. از این رو، یک تصویر واضح و روشن، به جای دامنه افت اکسرژی در هر بخش، مورد نیاز است. مقالات متعددی در نوشته ها وجود دارد که دارای تجزیه و تحلیل اکسرژی و اکسرژی اقتصادی هستند. با این حال، آنها معمولا توجه زیادی را به اثر پارامترهای کلیدی در اجزای چرخه، به ویژه هزینه های تخریب اکسرژی به خود معطوف کرده اند.

       با توجه به نوشته ها، تجزیه و تحلیل اکسرژی یک روش برای ارزیابی عملکرد دستگاه ها و فرایندها است و شامل بررسی اکسرژی در نقاط متفاوت در یک سری از مراحل تبدیل اکسرژی می شود [ 2-5 ]. نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی می تواند به تلاش ها برای بهبود بازده و احتمالا عملکرد اقتصادی و زیست محیطی نیروگاه های توربین گاز کمک نماید. به موازات تجزیه و تحلیل اکسرژی، تجزیه تحلیل حرارتی اقتصادی، نیز می تواند به طراحان در بالا بردن درک از عملکرد سیستم با در نظر گرفتن هزینه های سیستم کمک نماید. علم ترمودینامیک، ترکیبی از تجزیه و تحلیل اکسرژی با اصول اقتصادی است و شامل هزینه های مربوط به ناکارآمدی ترمودینامیکی در هزینه کل محصول یک سیستم انرژی می شود. این هزینه ها می تواند طراحان را برای درک فرایند شکل گیری هزینه در یک سیستم انرژی کمک نماید و می تواند برای بهینه سازی سیستم ترمودینامیکی مورد استفاده قرار گیرد، که در آن وظیفه، معمولا به حداقل رساندن هزینه واحد محصول سیستم متمرکز است [ 5 ] . چند محقق، تجزیه و تحلیل اکسرژی و اقتصادی اکسرژی را برای سیستم هایی که در آن یک توربین گاز نقش مهمی بازی می کند انجام دادند. Sahin و ali [ 6 ]تجزیه و تحلیل عملکرد بهینه سیکل ترکیبی کارنو ( دو چرخه کارنو تنها در آبشار) ، از جمله موارد قابل عکس کردن داخلی برای عملیات حالت پایدار را انجام دادند. Ameri و همکاران . [ 3 ] تجزیه و تحلیل اکسرژی را برای شلیک تکمیلی در یک ژنراتور بخار بازیافت حرارت در نیروگاه سیکل ترکیبی انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که اگر یک مجرای مشعل به ژنراتور بخار بازیافت حرارتی ( HRSG ) اضافه شود، بازده های قانون اول و دوم کاهش می یابد. همچنین، Ameri و همکاران . [ 2 ]، تجزیه و تحلیل اکسرژی، اکسرژی اقتصادی و انرژی را برای یکی از بزرگترین نیروگاه های بخار در ایران انجام دادند. مشخص شد که دیگ بخار دارای بالاترین میزان نابودی اکسرژی است. بنابراین، این دستگاه باید برای بهبود بیشتر در نظر گرفته شود. دلیل بزرگترین نابودی اکسرژی در این دستگاه به علت احتراق و فرایند های انتقال حرارت است که در تفاوت های درجه حرارت بزرگ بین درجه حرارت مشعل و سیال رخ می دهد. همین نتایج در تحقیقات دیگر انجام شده توسط Ameri و همکاران به دست آمده است [4]. مشخص شده است در کارخانه های سیکل ترکیبی، محفظه احتراق به علت درجه حرارت بالا، اکسرژی ورودی را از بین می برد. با این حال، این مقاله چندان توجهی به پارامترهای کلیدی معطوف ننموده است. Ahmadi و همکاران [ 7 ]. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی و محیط اکسرژی و بهینه سازی چند هدفه را برای نیروگاه قدرت توربین گازی انجام دادند. آنها بهینه سازی بر اساس چند هدفه را برای نیروگاه قدرت واقعی در ایران انجام دادند و پارامترهای بهینه طراحی را تعیین نمودند. نتایج نشان داد که با انتخاب پارامترهای بهینه سازی، کاهش 50٪ در اثرات زیست محیطی به دست آمده است . Ehyaei و همکاران . [ 8 ] تحلیل اکسرژی، اقتصادی و زیست محیطی را برای کولر هوای ورودی چیلر جذبی مورد استفاده در نیروگاه های توربین گاز انجام دادند. آنها تجزیه و تحلیل هایی برای دو حوزه متفاوت در ایران انجام دادند، (یعنی، شرایط آب و هوایی یعنی گرم و خشک و گرم و مرطوب). نتایج نشان داد که استفاده از این سیستم در ماه های گرم سال مقرون به صرفه است . آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که استفاده از یک چیلر جذبی، باعث افزایش قدرت خروجی 11.5 ٪ برای آب و هوای گرم ، خشک و 10.3 ٪ برای آب و هوای گرم و مرطوب می شود. هدف از مطالعه حاضر، که یک نسخه توسعه یافته از پژوهش های پیشین انجام شده به وسیله محققان [ 1 و 3 ] است، به طور عمده روی موارد زیر تمرکز دارد که سهم خاصی از مقاله حاضر در این موضوع است:

• مدل سازی کامل ترمودینامیکی یک نیروگاه توان توربین گازی در ایران انجام شده است.

• کد کامپیوتر شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Matlab برای حالت تمام قسمت های نیروگاه توسعه یافته و این کد با داده های واقعی از نیروگاه تایید شده است.

• تجزیه و تحلیل اکسرژی یک نیروگاه های توان توربین گازی انجام شد.

• تجزیه و تحلیل اکسرژی اقتصادی از یک نیروگاه های توان توربین گازی انجام شده است.

• اثرات برخی از پارامترهای کلیدی اصلی در هر دو عملکرد اکسرژی و اکسرژی اقتصادی از این چرخه بررسی شده است.

2 . تجزیه و تحلیل اکسرژی

       اکسرژی از دو بخش مهم تشکیل شده است. اولین مورد، اکسرژی فیزیکی است و دومی اکسرژی شیمیایی است. در این مطالعه، بخش های جنبشی و پتانسیل اکسرژی قابل اغماض است [ 4 ]. اکسرژی فیزیکی به عنوان حداکثر کار نظری مفید به دست آمده به عنوان یک سیستم در تعامل با حالت تعادل تعریف می شود. اکسرژی شیمیایی با خروج از ترکیب شیمیایی یک سیستم از تعادل شیمیایی آن همراه است. اکسرژی شیمیایی بخش مهمی از اکسرژی در فرایند احتراق است . این نکته مهم است که، بر خلاف انرژی، اکسرژی از قانون بقا معاف است [ 5 ] . برگشت ناپذیری در ارتباط با فرآیندهای واقعی باعث تخریب اکسرژی می شود.

       به منظور انجام تجزیه و تحلیل اکسرژی، جرم و انرژی مانده از سیستم مورد نیاز برای تعیین خواهد شد. اگر کسی قوانین اول و دوم ترمودینامیک را با هم ترکیب می کند، معادله تعادل اکسرژی به صورت زیر [4] تشکیل می شود:

معادله پیوستگی: X m˙ i = X m˙ e

(1)    

معادله انرژی: Q˙ − W˙ = X m˙ ehe − X m˙ ihi

(2)  

معادله توازن اکسرژی: Ex˙ Q + X m˙ iei = X m˙ eee + Ex˙ D + Ex˙ W 

Abstract

        In this research paper, a complete thermodynamic modeling of one of the gas turbine power plants in Iran is performed based on thermodynamic relations. Moreover, a complete computer code is developed for simulation purposes using Matlab software. To assess system performance, exergy and exergo-economic analyses are conducted to determine the exergy destruction of each component and cost of each flow line of the system. A complete parametric study is also carried out to study the effect of certain design parameters such as exergy efficiency and total cost of exergy destruction on system performance variation. The exergy analysis results revealed that the combustion chamber (CC) is the most exergy destructive component compared to other cycle components. Also, its exergy efficiency is less than other components, which is due to the high temperature difference between working fluid and burner temperature. In addition, it was found that by increasing the TIT (gas turbine inlet temperature), the exergy destruction of this component can be reduced. On the other hand, the cost of exergy destruction, which is a direct function of exergy destruction, is high for the combustion chamber. The effects of design parameters on exergy efficiency showed that an increase in the air compressor pressure ratio and TIT increases the total exergy efficiency of the cycle. Furthermore, the results revealed that an increase in the TIT of about 350 K can lead to a reduction of about 22% in the cost of exergy destruction. Therefore, TIT is the best option to improve cycle losses.

1. Introduction

       Energy systems involve a large number and various types of interactions with the world outside their physical boundaries. Therefore, the designer must face many issues, primarily related to energy, economy and the environment, in short “3E”. Gas turbines are a good candidate for power generation units because they are widely used in both gas cycles and combined cycles. Hence, thermodynamic modeling and performance assessment of gas turbines form a significant subject of interest for thermal system designers. Combined cycle power plants (CCPP) utilize the exhaust heat from the gas turbine engine to increase power plant output and boost overall efficiency up to 50%. Recently, exergy analysis, which is based on the second law of thermodynamics, has been found to be a potential tool for enhancing the understanding of system performance by determining the amount of irreversibilities for each component and providing better insight into system design.

       The exergy analysis approach is based on the simultaneous application of the first and the second laws of thermodynamics [1].The energy crisis of the 1970s and the continuing emphasis on efficiency (conservation of fuel resources) have led to a complete overhaul of the way in which power systems are analyzed and improved thermodynamically [2].

        Today, many electrical generation utilities are striving to improve efficiency and the heat rate at their existing thermal electric generating stations, many of which are over 25 years old. Often, a heat rate improvement of only a few percent appears desirable, as it is thought that the costs and complexity of such measures may be more manageable than more expensive options. Thus, a better understanding is attained when a more complete thermodynamic view is taken, which uses the second law of thermodynamics in conjunction with energy analysis, via exergy methods. One of the most commonlyused methods for evaluating the efficiency of an energy-conversion process is first-law analysis although it cannot determine the location of devices in which exergy destruction would occur.

        It is well-known that exergy can be used to determine the location, type and true magnitude of exergy loss (or destruction). Thus, it can play an important role in developing strategies and in providing guidelines for more effective use of energy in the existing power plants [3]. Moreover, another important issue to improve the existing system is the origin of the exergy loss and components in which the most exergy destruction take place. Hence, a clear picture, instead of only the magnitude of exergy loss in each section, is required. There are numerous research papers in the literature, which have presented exergy and exergo-economic analysis. However, they do not usually pay much attention to the effect of key parameters on the cycle components, especially the cost of exergy destruction.

        According to literature, exergy analysis is a methodology for the evaluation of the performance of devices and processes, and involves examining the exergy at different points in a series of energyconversion steps [2–5]. Exergy analysis results can aid efforts to improve the efficiency, and possibly the economic and environmental performance of gas turbine power plants. In parallel to exergy analysis, thermo-economics can also help the designers to enhance the understanding of the system performance by consideration of the system costs. Thermoeconomics combines exergy analysis with economic principles and incorporates the associated costs of the thermodynamic inefficiencies in the total product cost of an energy system. These costs may lead designers to understand the cost formation process in an energy system and that can be utilized to optimize thermodynamic systems, in which the task is usually focused on minimizing the unit cost of the system product [5]. Several researchers carried out exergy analysis of and applied exergo-economics to systems in which a gas turbine played a significant role. Sahin and Ali [6] carried out an optimal performance analysis of a combined Carnot cycle (two single Carnot cycles in cascade), including internal irreversibilities for steady-state operation. Ameri et al. [3] performed an exergy analysis of supplementary firing in a heat recovery steam generator in a combined cycle power plant. Their results revealed that if a duct burner is added to the heat recovery steam generator (HRSG), the first and second law efficiencies are reduced. Also, Ameri et al. [2] performed an energy, exergy and exergo-economic analysis for one of the largest steam power plants in Iran. It was determined that the boiler has the highest exergy destruction rate. Therefore, this device should be considered for further improvements. The reason for the greatest exergy destruction in this device is due to the combustion and heat transfer processes, which take place across large temperature differences between burner temperature and working fluid. The same results were obtained in other research performed by Ameri et al. [4]. It was found that in combined cycle plants, the combustion chamber destroys the inflow exergy due to the high temperature difference. However, that paper did not pay much attention to the key parameters. Ahmadi et al. [7] performed thermodynamic and exergo-environmental analyses, and multi-objective optimization of a gas turbine power plant.They applied the multi-objective based optimization to an actual power plant in Iran and determined the optimal design parameters. The results showed that by selecting the optimized parameters, a 50% reduction in environmental impacts is obtained. Ehyaei et al. [8] carried out exergy, economic and environmental analyses of absorption chiller inlet air cooler used in gas turbine power plants. They conducted the analyses for two different regions in Iran, (i.e. hot-dry and hot-humid climate conditions). The results showed that using this system in the hot months of a year is economical. They also concluded that application of an absorption chiller increases the output power by 11.5% for the hot-dry climate and 10.3% for the hot-humid climate. The present study, which is an extended version of earlier research carried out by the authors [1, 3] mainly focuses on the followings items which are the specific contribution of the current paper in this subject:

• Complete thermodynamic modeling of a major gas turbine power plant in Iran is performed.

• A simulation computer code is developed using Matlab software to mode all parts of the power plant and this code is validated with actual data from the power plant.

• Exergy analysis of a gas turbine power plant is performed.

• Exergo-economic analysis of a gas turbine power plant is conducted.

• The effects of some major key parameters on both exergy and the exergo-economic performance of the cycle are investigated.

2. Exergy analysis

       Exergy is composed of two important parts. The first one is the physical exergy and the second one is the chemical exergy. In this study, the kinetic and potential parts of exergy are negligible [4]. The physical exergy is defined as the maximum theoretical useful work obtained as a system interacting with an equilibrium state. The chemical exergy is associated with the departure of the chemical composition of a system from its chemical equilibrium. The chemical exergy is an important part of exergy in the combustion process. It is important to observe that, unlike energy, exergy is exempt from the law of conservation [5]. Irreversibility associated with actual processes causes exergy destruction.

       In order to perform the exergy analysis, mass and energy balances of the system are required to be determined. If one combines the first and second laws of thermodynamics, the exergy balance equation is formed as [4]:

Continuity equation: X m˙ i = X m˙ e (1)

Energy equation: Q˙ − W˙ = X m˙ ehe − X m˙ ihi (2)

Exergy balance equation: Ex˙ Q + X m˙ iei = X m˙ eee + Ex˙ D + Ex˙ W (3)

چکيده

1. مقدمه

2 . تجزیه و تحلیل اکسرژی

3 . تجزیه و تحلیل اقتصادی

3.1. معادلات تعادل هزینه

4. مدل سازی ترمودینامیکی

5. مطالعه موردی

6. نتایج و بحث:

6.1. نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی

6.2 . نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی اقتصادی

7 . نتیجه

Abstract

1. Introduction

2. Exergy analysis

3. Economic analysis

3.1. Cost balance equations

4. Thermodynamic modeling

5. Case study

6. Results and discussions

6.1. Exergy analysis results

6.2. Exergo-economic Analysis Results

7. Conclusion

References