دانلود رایگان ترجمه مقاله مدل سازی ترمودینامیکی و تجزیه و تحلیل اکسرژی (سال 2012)

مدل سازی ترمودینامیکی و تجزیه و تحلیل عملکرد بر اساس قانون دوم برای یک نیروگاه توان توربین گازی (تجزیه و تحلیل اکسرژی و اقتصادی-اکسرژی)

Thermodynamic modeling and second law based performance analysis of a gas turbine power plant (exergy and exergoeconomic analysis)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1930

برای تجزیه و تحلیل اکسرژی نیروگاه های توان، اکسرژی از هر جریان باید برای همه حالات برآورد شود و تغییرات در اکسرژی برای هر جزء اصلی تعیین می شود. بر خلاف انرژی، اکسرژی حفاظت نمی شود، بلکه در سیستم تخریب می شود. در اجزای نیروگاه، اکسرژی در طول فرآیند به علت اصطکاک، مخلوط کردن ، احتراق، انتقال حرارت ، و غیره تلف می شود. منبع نابودی اکسرژی ( یا برگشت ناپذیری ) در محفظه احتراق و توربین، عمدتا احتراق ( واکنش شیمیایی ) و تلفات حرارتی در مسیر جریان است [11]. هدف از مطالعه حاضر، انجام تجزیه و تحلیل اکسرژی و اکسرژی اقتصادی و یک شبیه سازی از یک نیروگاه های توان توربین گازی است، که یک چرخه مشترک برای تولید برق در ایران است. بنابراین، به همین دلیل پس از شبیه سازی و مدل سازی ترمودینامیکی این چرخه، تعادل اکسرژی برای هر جزء برای پیدا کردن نابودی اکسرژی در هر جزء محاسبه می شود.

3 . تجزیه و تحلیل اقتصادی
اقتصاد اکسرژی و یا حرارتی اقتصادی، شاخه ای از مهندسی است که به طور مناسب در سطح اجزاء سیستم، ارزیابی های ترمودینامیکی بر اساس تجزیه و تحلیل اکسرژی با اصول اقتصادی، به منظور ارائه اطلاعاتی مفید به طراح یا اپراتور از یک سیستم برای طراحی و بهره برداری از یک سیستم مقرون به صرفه را ترکیب می کند اما با تجزیه و تحلیل اکسرژی منظم و انرژی و تجزیه و تحلیل اقتصادی قابل حصول نمی باشد [12]. هنگامی که هزینه اکسرژی اعمال نمی شود، محققان باید از یک عبارت متفاوت (به عنوان مثال حرارتی اقتصاد ) استفاده کنند. اقتصاد-حرارتی یک اصطلاح کلی تر است و هر ترکیبی از تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی را با تجزیه و تحلیل های اقتصادی [13، 14] مشخص می کند. به منظور تعریف یک تابع هزینه ، که بستگی به پارامترهای بهینه سازی مورد نظر دارد، هزینه جز باید به عنوان توابعی از پارامترهای طراحی ترمودینامیکی [14] بیان شود است.

در این تجزیه و تحلیل، لازم به ذکر است که سوخت و محصول اکسرژی باید تعریف شود. محصول اکسرژی با توجه به مولفه های مورد نظر تعریف می شود. سوخت نشان دهنده منبعی است که در تولید محصول مصرف می شود. هر دوی محصول و سوخت از نظر اکسرژی بیان می شوند. نرخ هزینه های مرتبط با سوخت و محصول یک جزء با جایگزینی نرخ های اکسرژی به دست می آید. به عنوان مثال، در یک توربین، سوخت، تفاوت اکسرژی بین ورودی و خروجی است و محصول، توان خروجی تولید شده از توربین است.
جزئیات بیشتر تجزیه و تحلیل اکسرژی اقتصادی، معادلات تعادل هزینه و عوامل اکسرژی اقتصادی در طول نوشته ها [3، 14، 15] بحث می شود.
علاوه بر این، چندین روش برای بیان هزینه خرید تجهیزات از نظر پارامترهای طراحی در معادله 15 پیشنهاد شده است. با این حال، ما از توابع هزینه پیشنهاد شده توسط Ameri و همکاران. [2] استفاده می کنیم.
با این وجود، برخی از تغییرات برای تنظیم این نتایج در شرایط منطقه ای در ایران و در نظر گرفتن نرخ تورم به عمل آمده است. برای تبدیل سرمایه گذاری به هزینه در واحد زمان، می توانست نوشت:
که در آن ZK هزینه خرید جزء k ام برحسب دلار آمریکا است. N، ساعات عملیاتی سالانه واحد است، و عامل تعمیر و نگهداری [2 و 14] است. عامل بازیابی سرمایه (CRF) بستگی به نرخ بهره و همچنین طول عمر برآورد شده تجهیزات دارد. CRF با استفاده از رابطه [2] تعیین می شود:
که در آن i، نرخ سود و n کل دوره عملیاتی سیستم، برحسب سال است.
در نهایت، به منظور تعیین هزینه های تخریب اکسرژی هر جزء، ارزش نابودی اکسرژی، با استفاده از معادله تعادل اکسرژی در بخش قبلی تخمین زده می شود.

3.1. معادلات تعادل هزینه
به منظور برآورد هزینه های نابودی اکسرژی برای هر جزء از نیروگاه، ابتدا باید معادلات تعادل هزینه برای هر جزء حل شود. بنابراین، برای استفاده از معادله تعادل هزینه (معادله 15)، معمولا بیش از یک ورودی و خروجی جریان برای برخی از اجزا وجود دارد. در این مورد، تعداد پارامترهای هزینه ناشناخته بیشتر از تعداد معادلات تعادل هزینه برای این بخش است. معادلات اکسرژی اقتصادی کمکی برای حل این مشکل توسعه یافته اند [2 و 14]. پیاده سازی معادله. 16 برای هر جزء همراه با معادلات کمکی، یک سیستم معادلات خطی همراه را به شرح زیر تشکیل می دهد.
(22)
که در آن و ماتریس نرخ اکسرژی (که در تجزیه تحلیل اکسرژی به دست آمده است)، بردار هزینه اکسرژیک (که باید ارزیابی شود) و بردار عوامل (که در تجزیه تحلیل اقتصادی به دست آمده است) به ترتیب می باشند. تابع هزینه برای هر جز در چرخه، در جدول 1 ارائه شده است. بعد از تخمین Ci، هزینه نابودی اکسرژی بر اساس معادله 19 محاسبه خواهد شد.
در این معادله، cf برابر است. بنابراین، با حل این دستگاه معادلات، می توان میزان هزینه هر خط را در شکل پیدا نمود. 1. علاوه بر این، آنها برای یافتن هزینه تخریب اکسرژی برای هر جزء از کارخانه استفاده می شوند.

4. مدل سازی ترمودینامیکی
برای پیدا کردن پارامترهای طراحی فیزیکی و حرارتی بهینه از سیستم، یک برنامه شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Matlab برای نیروگاه های توان توربین گازی توسعه داده شد. خواص ترمودینامیکی، جریان اکسرژی، اکسرژی الکترونیکی بازده و هزینه نابودی اکسرژی با استفاده از این برنامه محاسبه می شود.
. مطالعه موردی
برای اعتبارسنجی نتایج حاصل از کد شبیه سازی، آنها را با داده های واقعی از یک نیروگاه های توان توربین گازی عملیاتی در نیروگاه توان یزد (یزد) مقایسه نمودیم. این نیروگاه توان در نزدیکی شهرستان یزد، در مرکز ایران واقع شده است. طرح کلی این نیروگاه در شکل 1نشان داده شده است.. بر اساس داده های جمع شده نیروگاه در سال 2006 هوای ورودی در دمای حدود 17.10؟ C و فشار حدود 0.874 است. فشار از طریق کمپرسور به 10.593 افزایش می یابد که دارای بازده ایزنتروپیک 83٪ است. دمای ورودی توربین گاز 1073 درجه است. توربین دارای بازده بدون تغییر آنتروپی 87٪ است. سوخت (گاز طبیعی) در 17.10 درجه و 30 بار تزریق می شود.
. نتایج و بحث:
6.1. نتایج تجزیه و تحلیل اکسرژی
تجزیه و تحلیل عملکرد از چرخه توربین گاز، با در نظر گرفتن شرایط واقعی مانند دما و فشار برای هر جزء در واحد انجام شده است. شرایط هوا در ورودی کمپرسور در 0.874 بار و 298 K تعیین می شود. در این مورد، قدرت خالص خروجی از سیکل توربین گاز در 106MW ثابت می شود. علاوه بر این، فرض می شود تلفات حرارتی از طریق محفظه احتراق در 3٪ فرض می شود. بازده هم آنتروپی کمپرسور 83٪ است، و بازده هم آنتروپی توربین های گازی در 87٪ ثابت شده است. دمای ورودی توربین گازی بین 1100 K و 1450 K متفاوت است و نسبت فشار کمپرسور از 10 تا 20 در این مطالعه انتخاب شده است.
تخریب اکسرژی از اجزای سازنده در GT در شکل 2نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل اکسرژی نشان می دهد که، در شرایط فوق، محفظه احتراق مهم ترین مخرب اکسرژی در نیروگاه سیکل ترکیبی است. این به خاطر این واقعیت است که واکنش های شیمیایی و تفاوت دمای زیاد بین مشعل و سیال، منبع اصلی برگشت ناپذیری می باشد. در واقع، بازده اکسرژی کمتر از اجزای دیگر است. شکل. 3 نشان دهنده اثر تغییرات در نسبت فشار کمپرسور در مقابل اکسرژی بازده است. نتایج نشان می دهد که برای یک درجه حرارت ورودی توربین گاز در حدود 1450 K، بازده اکسرژی چرخه توربین گاز، در نسبت فشار بیشتر افزایش می یابد.
شکل. 4 نشان دهنده اثر نسبت فشار کمپرسور روی نابودی اکسرژی محفظه احتراق است. نشان داده شده است که یک نسبت با فشار بیشتر منجر به نابودی اکسرژی پایین تر در کل چرخه و در نتیجه سوخت کمتر عرضه شده به چرخه توربین گاز می شود. این به این معنی است که هر گونه صرفه جویی در سوخت عرضه شده دارای تاثیر قابل توجهی بر نابودی اکسرژی چرخه توربین گاز است. اکسرژی سوخت، متشکل از اکسرژی فیزیکی و شیمیایی می باشد. با این حال، اکسرژی شیمیایی تاثیر قابل توجهی در اکسرژی کل سوخت دارد زمانی که با اکسرژی فیزیکی مقایسه می شود.
شکل 5 نشان دهنده اثر تغییرات دمای ورودی توربین گاز روی بازده اکسرژی توربین گازی است. این نشان می دهد که افزایش در GTIT منجر به افزایش در بازده اکسرژی GT با توجه به این واقعیت می شود که توربین GT، خروجی کار را افزایش می دهد. شکل 6 تایید می کند که افزایش در TIT منجر به کاهش در نابودی اکسرژی به صورت شکل 5 می شود. بنابراین، مشخص شده است که TIT، مهمترین پارامتر در طراحی سیکل توربین گاز با توجه به کاهش تخریب اکسرژی و افزایش در بازده اکسرژی چرخه است.