خروجی گرمایی(کیلووات)

۸۵

۸۵

۸۵

۸۵

۱۳۶

۱۶۷

ورودی سوخت(کیلووات)

۱۲۷۴۹

۱۲۷۴۹

۱۲۶۹۱

۱۲۳۹۱

۲۸۸

۳۵۰

راندمان نیروگاه­های حرارتی عبارتست از نسبت انرژی الکتریکی تولید شده بر مقدار سوخت مصرف شده می­باشد. در مورد سیستم­های تولید همزمان تعریف راندمان به دو صورت زیر بیان می­ شود.
۱- راندمان کلی: عبارتست از مجموع انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی مفید تولید شده تقسیم بر مقدار سوختی که توسط سیستم تولید همزمان مصرف می­ شود. راندمان کلی سیستم های تولید همزمان بیش از ۷۰ درصد است.
۲- راندمان تولیدبرق: عبارتست از انرژی الکتریکی تولید شده تقسیم برسوخت مصرف شده.
۳-۷ مروری بر تاریخچه کار
تاریخچه تولید میکروتوربین تجاری به سال ۱۹۹۸ میلادی در آمریکا برمی­گردد که الیوت و کپستون میکروتوربین­های خود را وارد بازار کردند. از سازندگان اصلی میکروتوربین در حال حاضر می­توان کپستون در امریکا و بومن در انگلستان را نام برد. شکل میکروتوربین ساخت شرکت کپستون در شکل (۳-۱۰) نشان داده شده است.
شکل (۳-۱۰) نمایی از میکروتوربین ساخت شرکت Capstone [3]
در سالهای اخیر تحقیقات مناسبی در زمینه کاربرد و مدلسازی میکروتوربین­ها در سیستم­های تولید همزمان انجام شده است. در این فصل مروری بر تحقیقات انجام شده در این زمینه صورت خواهد گرفت.
لابینوف و همکاران [۸] بر اساس داده ­های آزمایشی یک میکروتوربین تجاری، یک مدل ریاضی جهت تحلیل عملکرد یک سیستم تولید همزمان ۳۰ کیلوواتی پیشنهاد کردند. بخشی از نتایج آنها بیانگر این مساله بود که ۳۰ درصد از کل انرژی تولیدی سیستم در داخل آن تلف می­گردد. نایت و همکاران [۹] در تحقیقی یک سیکل توربین­گاز را از دیدگاه ترمودینامیکی و ترمواکونومیکی مورد تحلیل قرار دادند. آنها در این تحقیق از یک نرم افزار اقتصادی استفاده کرده و دو الگوریتم برای کاهش قیمت برق تولیدی ارائه کردند. صنایع و همکاران [۱۰] با بهره گرفتن از مفهوم اگزرژی و بکارگیری توابع اقتصادی یک سیستم تولید همزمان با میکروتوربین ۳۰۰ کیلوواتی را مورد ارزیابی قرار دادند. پارامترهای طراحی و متغیرهای تصمیم ­گیری آنها در این تحقیق بازده ایزونتروپیک کمپرسور و توربین، نسبت فشار کمپرسور و دمای ورودی به توربین گاز بود. آنها در این تحقیق از مدل اقتصادی لازارتو جهت محاسبه نرخ هزینه تجهیزات استفاده کرده بودند. احیائی و بهادری [۱۱] عملکرد یک میکروتوربین را که برای تامین کلیه نیازهای الکتریکی، گرمایشی و سرمایشی یک ساختمان در نظر گرفته شده بود، مورد بررسی قرار دادند. آنها در این تحقیق برای سه شهر مختلف در ایران و در طول یک شبانه­روز، توان­های مورد نیاز سیستم را محاسبه نمودند. آنها در تحقیق دیگری همین سیستم را از دیدگاه اقتصادی مورد بررسی قرار دادند[۱۲]. املی و همکاران[۱۳] با بهره گرفتن از یک نرم­افزار شبیه­سازی یک سیستم تولید همزمان بر پایه میکروتوربین گازی را مورد تحلیل قرار دادند. آنها در این شبیه­سازی در سه ماه بهار و تابستان و در ۶ ماه دوم سال نیازهای گرمایشی، سرمایشی و الکتریکی یک ساختمان را محاسبه و برای آن یک سیستم تولید همزمان بر پایه میکروتوربین گازی طراحی کردند. کایکو و همکاران [۱۴] تاثیر بازیاب و روش­های مختلف کنترل بار بر اقتصاد کلی عملیات را تحلیل نمودند. آنها پارامترهای کنترل را درجه حرارت ورودی توربین و سرعت چرخش شافت در نظر گرفته و در انتها یک مدل عملکرد حالت پایدار برای توصیف اجزای سازنده میکروتوربین ارائه نمودند. کریمی و همکاران [۱۵] یک سیستم تولید پراکنده برق و حرارت با محرک اولیه میکروتوربین­گازی را از دیدگاه ترمواکونومیکی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. نتایج آنها بیانگر کاهش ۴۰ درصدی مصرف سوخت و بازگشت سرمایه ­گذاری در کمتر از ۸ سال بود. کادورین و همکاران [۱۶] در تحقیقی به امکان­سنجی استفاده از سیستم تولید همزمان کوچک برای استفاده در ساختمان­های مسکونی پرداختند. عامری و همکاران [۱۷] در تحقیقی یک سیکل تولید همزمان با میکروتوربین گاز را برای ساختمانی ده طبقه در تهران از دیدگاه اگزرژی و ترمواکونومیکی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. آرامی و همکاران [۱۸] استفاده از فناوری میکروتوربین را برای تامین همزمان برق و حرارت در بخش خانگی از دیدگاه اقتصادی مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. آنها در این تحقیق انرژی مورد نیاز ساختمان مسکونی با مساحت ۸۰۰۰ مترمربع را با بهره گرفتن از هفت میکروتوربین ۲۰۰ کیلوواتی تامین کردند. نتایج آنها بیانگر بازگشت سرمایه این سیستم در طول ۲ سال بود. از دیگر تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر می­توان به مقالات کیو و همکاران [۱۹]، تیمپستی و همکاران[۲۰]، ماهتو و همکاران[۲۱] اشاره کرد. آنها در تحقیقات خود میکروتوربین گازی در سیستم­های هیبریدی به ترتیب با سیکل رانکین، صفحات خورشیدی و سیستم­های تبخیری مورد بررسی قرار داده بودند.

هدف از انجام این رساله 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. در این مقاله ابتدا یک میکروتوربین گاز صنعتی همراه با تجهیزات جانبی آن در نظر گرفته شده و سپس برای تمام اجزاء سیکل مورد نظر یک تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی انجام شده است. در این رساله از مدل اقتصادی لازارتو جهت محاسبه قیمت برق تولیدی و سایر هزینه­ های مرتبط استفاده شده است.
فصل چهارم- مدلسازی ریاضی سیستم
۴-۱ مقدمه
در این بخش ابتدا سیستم تحلیل شده معرفی شده و سپس فرضیات به­کار رفته در تحلیل آن معرفی خواهند شد. در ادامه معادلات ریاضی (ترمودینامیکی و اقتصادی) حاکم بر سیستم میکروتوربین گازی معرفی خواهند گردید. در بخش پایانی این فصل نیز روش و نرم افزار مهندسی استفاده شده در تحلیل سیستم توضیح داده خواهد شد.
۴-۲ پیکربندی سیستم
میکروتوربین­ها همانند توربین­های گازی بر اساس سیکل برایتون کار می­ کنند، اما یک تفاوت عمده در این دو سیستم نسبت فشار کاری آنها می­باشد. در نیروگاه­های گازی (توربین­های گاز) نسبت فشار در کمپرسورها بالا بوده و تا حدود ۱۶ نیز می­رسد، اما در میکروتوربین­ها این نسبت معمولاً بیش از ۶ بار افزایش نمی­یابد [۷و۸]. در سیکل­های میکروتوربین معمولاً از میان خنک­کاری کمپرسور و بازگرمایش توربین صرفنظر می­ شود. میکروتوربین­ها همانند سیکل­های توربین­گاز شامل اجزای اصلی کمپرسور، توربین و محفظه احتراق می­باشند. برای افزایش بازده این نوع سیستم­ها، معمولاً از بازیاب­های حرارتی در ساختمان آنها استفاده می­گردد که از انرژی گازهای داغ خروجی از توربین برای پیش­گرم کردن هوا و سوخت ورودی به محفظه احتراق استفاده می­ شود. شماتیک سیستم پیشنهادی که در این تحقیق مطالعه شده در شکل (۴-۱) نشان داده شده است.
سیستم پیشنهادی شامل یک توربین، کمپرسور هوا، کمپرسور سوخت، محفظه احتراق، پمپ آب و سه بازیاب حرارتی می­باشد. سوخت به­کار رفته در سیستم گاز طبیعی با ترکیب ۹۷ درصد متان، ۵/۱ درصد دی­اکسید­کربن و ۵/۱ درصد نیتروژن بوده و ترکیب هوای به­کاررفته نیز شامل ۲۱ درصد اکسیژن و ۷۹ درصد نیتروژن درنظر گرفته شده است. هوا و گاز طبیعی به­کار رفته در سیستم ابتدا بوسیله کمپرسورهایی متراکم شده و در ادامه مسیر با عبور از دو بازیاب هوا و سوخت، گرم شده و سپس وارد محفظه احتراق می­شوند. پس از انجام واکنش در محفظه احتراق، محصولات خروجی از آن در ادامه وارد توربین شده و در اثر انبساط کار مکانیکی تولید می­ کنند. گازهای داغ پس از خروج از توربین و در ادامه مسیر خود وارد سه بازیاب می­گردند. دو بازیاب اول جهت پیش گرم کردن هوا و سوخت ورودی به محفظه احتراق به­کار رفته و از بازیاب سوم نیز برای تولید انرژی حرارتی استفاده می­ شود. آب از طریق پمپ وارد بازیاب سوم شده و پس از گرم شدن به سمت واحد­های گرمایشی هدایت می­گردد.
شکل (۴-۱) طرح سیستم پیشنهادی
۴-۳ فرضیات
در مدلسازی و تحلیل سیستم پیشنهادی، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
- از نشتی گاز داخل سیستم به بیرون صرفنظر شده است،
- جریان سیال در کلیه اجزاء سیکل پایدار در نظر گرفته شده است،
- شرایط محیطی (دما و فشار) با شرایط ورود به کمپرسور یکسان فرض شده است،
- جریان سیال در کمپرسور و توربین آدیاباتیک فرض شده است،
- از تغییرات انرژی­های جنبشی و پتانسیل و اگزرژی­های مربوط به آنها صرفنظر شده است،
- رفتار تمامی گازهای موجود در سیکل به صورت گاز ایده­ال فرض شده است.
۴-۴ روابط حاکم بر عملکرد سیکل
در این بخش ابتدا با بهره گرفتن از روابط موجود عملکرد تمامی اجزاء بکار رفته در سیستم معرفی شده و سپس به صورت مجزا و تحت شرایط پایدار، سیستم فوق مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. جهت این کار یک برنامه رایانه­ای نوشته شده و سپس عملکرد ترمودینامیکی و اقتصادی سیستم با تغییر چند پارامتر موثر مانند نسبت فشار کاری کمپرسور، نرخ جریان هوای ورودی به سیستم، دمای گازهای ورودی به توربین و … بررسی شده است.
۴-۴-۱ کمپرسور
همانطور که در شکل (۴-۱) مشاهده می‌شود هوای محیط در یک فشار و دمای معین وارد کمپرسور هوا (  ) شده و پس از تراکم در فشار و دمای بالاتری آن را ترک می‌کند. با فرض آدیاباتیک‌بودن فرایند تراکم و با مشخص بودن نسبت فشار (  ) و راندمان ایزونتروپیک کمپرسور (  )، نسبت گرمای ویژه‌ی هوا (  ) و دبی هوای عبوری از کمپرسور (  ) می‌توان دمای گازهای خروجی از کمپرسور (  ) و کار واقعی مورد نیاز آن را (  ) به دست آورد [۲۲و۲۳]:

(۴-۱)

(۴-۲)