بررسی تجربی و تحلیل تئوری سیکل توربین گازی موجود در تاسیسات تقویت فشار گاز از دیدگاه اگزرژی و اقتصادی و بهبود عملکرد سیکل

توربین های گازی موجود در تاسیسات تقویت فشار گاز به عنوان قلب تپنده این واحدها نیروی محرکه کمپرسورهای گاز را به منظور افزایش فشار گاز در طول خط لوله انتقال گاز طبیعی و رساندن آن به مبادی مصرف تامین می کنند. لذا کارکرد مداوم، منظم و عملکرد بالای این توربین ها ارتباط مستقیم و تنگاتنگی در جهت رسیدن به اهداف شرکت های انتقال گاز دارند. در این رساله تلاش شده است تا با بررسی مزایا و معایب توربین های گازی استفاده شده در تاسیسات تقویت فشار گاز و ارایه پیشنهادات مناسب و عملی گامی موثر در راستای بهبود و افزایش کارایی سیکل توربین های گازی در این واحدها برداشته شود. کاربرد روش های دینامیک سیالات محاسباتی در بررسی آلایندگی nox تولیدی در محفظه احتراق توربین رویکرد اول این پایان نامه بوده است. نتایج این بررسی نشان می دهد که افزودن 10درصد جرمی هیدروژن در ترکیب سوخت باعث کاهش 75 درصدی در میزان این آلایندگی شده است. از سویی افزایش دمای هوای ورودی و دمای سوخت موجب افزایش تولید nox گردیده است. به طوری که هر 10 درجه افزایش در دمای هوای ورودی به محفظه احتراق توربین 2-1 واحد به مقدار این آلایندگی افزوده است. اگرچه روش های cfd در محاسبه توزیع دما، سرعت و آلایندگی در محفظه احتراق توربین توانمند هستند ولی در مطالعه کل سیکل توربین گازی و بررسی پارامتریک آن از قابلیت چندانی برخوردار نیستند. لذا برای مطالعه مجموعه سیکل ناگزیر به استفاده از مدل های ترمودینامیکی است. در همین راستا ابتدا داده های تجربی و پارامترهای عملکردی مهم یک واحد توربوکمپرسور در تاسیسات تقویت فشار مورد مطالعه دریافت و مدل ترمودینامیکی آن ارایه شده است. پرهیز از ساده سازی ها و در نظر گرفتن شرایط واقعی کارکرد توربوکمپرسور اعم از لحاظ کردن بازگشت ناپذیری ها، هوای خنک کاری پره های توربین و عملکرد پره های ورودی با زاویه متغیر در ورودی کمپرسور هوای توربین و نیز شرایط واقعی سیال عامل از مهمترین نقاط قوت این مدل به شمار رفته و آن را به ابزاری مناسب و دقیق برای پیش بینی رفتار سیستم تبدیل کرده است. مقایسه نتایج مدل و داده های تجربی و توافق بین آنها و مطالعه پارامتریک مدل از دیدگاه قانون اول و دوم ترمودینامیک و مقایسه نتایج آن با نتایج موجود در ادبیات فن و توافق حاصله، بر صحت عملکرد مدل و قابلیت اطمینان بالای آن اشاره دارد. در ادامه اثرات ترکیب گاز طبیعی و تزریق هیدروژن بر عملکرد توربین گازی بررسی شده است. نتایج حاکی از آن است که نزدیک شدن ترکیب سوخت گاز طبیعی به متان خالص باعث افزایش توان تولیدی و راندمان گرمایی سیکل شده است. به طوری که افزایش کسر جرمی متان از 85 درصد جرمی به متان خالص باعث افزایش 20 درصدی در توان تولیدی توربین شده است. همچنین افزودن 4 درصد جرمی هیدروژن به مخلوط سوخت موجود باعث افزایش 3 درصدی راندمان سیکل و کاهش 10.7 درصدی مصرف سوخت در تولید توان ثابت توربین شده است. بررسی ترمودینامیکی سیستم راه اندازی توربین گازی موجود و جایگزینی آن با سایر روش های راه اندازی به منظور کاهش میزان انرژی مصرفی راه اندازی توربین نیز در این رساله بررسی شده است. استفاده از گازهای داغ خروجی توربین برای تولید بخار مافوق گرم و استفاده از آن در توربین بخار انبساطی موجود در تاسیسات و تولید انرژی الکتریکی بدون مصرف سوخت اضافی و مستقل کردن تاسیسات از منبع جریان الکتریکی خارجی، مطالعه سیکل پیشنهادی از دیدگاه انرژی و اگزرژی و بررسی پارامتریک آن از دیگر جنبه های اساسی این پایان نامه به شمار می رود. نتایج تحقیق حاکی از آن است که تبدیل سیکل پایه موجود به سیکل ترکیبی بدون تزریق بخار به محفظه احتراق در شرایط استاندارد باعث تولید 643 کیلووات توان اضافی بدون مصرف سوخت اضافی و افزایش 2 درصدی راندمان سیکل شده است. این مقدار انرژی تولیدی نزدیک به سه برابر مصرف انرژی الکتریکی یک واحد توربوکمپرسور بوده و در صورت تزریق بخار به محفظه احتراق توربین علاوه بر کاهش آلایندگی nox با کاهش مصرف سوخت توربین مقدار راندمان گرمایی کل با 5 درصد افزایش به مقدار 37.5 درصد خواهد رسید. بررسی های اقتصادی طرح پیشنهادی حاکی از آن است که در صورت تغییر سیستم راه انداز موجود، مبلغی برابر 800 دلار به ازای هر بار راه اندازی توربین صرفه جویی در مصرف انرژی حاصل خواهد شد که مقدار بازگشت سرمایه اولیه آن 8 ماه محاسبه شده است. از سویی با راه اندازی سیکل پیشنهادی در حالت بدون تزریق بخار به محفظه احتراق، برای کارکرد یک واحد توربوکمپرسور ماهانه مبلغی برابر 7073 دلار و در صورت کارکرد این تاسیسات با تمام ظرفیت طراحی خود سالانه مبلغ 340000 دلار درآمد حاصل خواهد شد. این در حالی است که در صورت تزریق 0.5 کیلوگرم بر ثانیه بخار این مبلغ بالغ بر 2900000 دلار در سال خواهد شد.