23222

تحليل اگزرژي – اقتصادي و بهينه سازي سيكل تركيبي چهار گانه برايتون خورشيدي با رانكين بخار و برايتون زيست گاز با رانكين آلي به همراه سامانه متان ساز

كارشناسي ارشد

مهندسي سيستم هاي انرژي

97-99

1399/10/17

دكتر ابوالفضل احمدي

دكتر رضا دشتي

فناوري هاي نوين

بازيابي گرماي پسماند حاصل از فرآيندهاي صنعتي در دهه هاي گذشته توجه زيادي را در حوزه انرژي جلب كرده است . در اين پايان نامه يك پيكربندي جديد از چرخه چهار گانه شامل چرخه هاي گاز و بخار و همچنين يك چرخه رانكين آلي و يك چرخه برايتون زيست گاز ، براي بازيابي انرژي از گاز خروجي گرم معرفي شده است. همچنين ، از سيستم جذب كربن آمين براي جداسازي و ذخيره دي اكسيد كربن از گازهاي خروجي داغ استفاده مي شود. براي اين سيستم جديد ، ارزيابي انرژي ، اگزرژي ، اقتصادي ،اگزرژي اقتصادي و اگزرژي زيست محيطي انجام شده است . در اين پايان‌نامه به شبيه سازي و بهينه سازي سيكل تركيبي خورشيدي متشكل از برايتون و كلكتور خورشيدي و سيكل رانكين آلي و برايتون زيست گاز براي توليد توان و جذب كربن براي توليد متان در واحد متان ساز پرداخته شده است . در اين سيكل به كمك كلكتور خورشيدي، دريافت كننده مركزي گرماي خورشيد جذب شده را وارد سيكل مي‌كند و ميزان اضافي آن وارد سيستم ذخيره خواهد شد. اين سيستم ذخيره شامل نمك مذاب خواهد بود و سيكل تنها با گرماي خورشيدي كار‌ مي‌كند و دماي هوا را به ميزان مطلوب مي‌رساند. سپس سيال عامل يعني دي اكسيد كربن فوق بحراني پس از عبور از دريافت كننده وارد توربين گازي خواهد شد. از طرفي چون گاز هاي خروجي توربين دماي نسبتا بالايي دارد و از طرفي دي اكسيد كربن بايد به دماي پايين برسد، لذا در طي عملي ابتدا وارد بويلر و سپس به چرخه برايتون خورشيدي بازگردانده مي شود . بويلر آب را به بخار تبديل و وارد توربين بخار مي‌كند و چرخه رانكين بخار شكل مي‌گيرد.چرخه ي برايتون زيست گاز نيز مطابق همين سيكل بعد از خروج از توربين گازي با گرم كردن بوتان در اواپراتور موجب راه اندازي چرخه رانكين آلي ميشود و در ادامه نيز بعد از جذب كربن وارد واحد متان ساز شده و با تركيب با هيدروژن بدست آمده از طريق الكتروليز بخشي از بخار خارج شده از چرخه رانكين بخار ، متان توليد ميكند . نوآوري اين پروژه استفاده از دي‌اكسيدكربن فوق بحراني به جاي هوا در سيكل برايتون خورشيدي و استفاده از سيستم ذخيره نمك مذاب جهت ذخيره‌سازي گرما و استفاده از آن در مواقعي كه هوا ابري است يا در طول شب كه خورشيد وجود ندارد و همچنين استفاده از واحد متان ساز پس از سيكل رانكين آلي به همراه توليد توان مي‌باشد. براي تحليل بخش هاي مختلف، مدل هاي ترموديناميكي و اقتصادي آن ها بيان شده است و جهت تعيين نتايج از نرم افزار EES و MATLAB استفاده شده است كه به بهينه سازي اگزرژي-اقتصادي سيكل در جهت كاهش هزينه و افزايش اگزرژي پرداخته خواهد شد. در اين تحقيق براي بهينه سازي از الگوريتم هاي هوشمند بهينه سازي الگوريتم ژنتيك استفاده شده است. توابع هدف مورد نظر بازدهي اگزرژي مجموعه و هزينه توليد برق مي باشند. در نقطه بهينه، مقادير بازدهي اگزرژي برابر 7/61درصد و هزينه توليد برق 267 تومان به ازاي هر كيلووات ساعت مي باشد. نتايج نشان مي دهد كه افزودن چرخه هاي بخار و رانكين آلي به چرخه گاز ، كارايي انرژي و اكسرژي را به ترتيب به 71.8 و 73.7 افزايش مي دهد. با اين حال ، ادغام واحد جذب كربن با اين سيستم ، كارايي انرژي و اكسرژي را به 50.5٪ و 51.9٪ كاهش مي دهد . نتايج اقتصادي براي سيستم پيشنهادي نشان مي دهد كه بازگشت سرمايه ساده و بازگشت سرمايه هر دو 1.5 سال هستند. علاوه بر اين ، ارزش خالص فعلي و نرخ بازگشت داخلي به ترتيب 09*3.13 دلار و 68/0 بدست آمد . بعلاوه ، واحد سيستم جذب كربن مي تواند سالانه از 627000 تن كربن دي اكسيد جلوگيري و تبديل به سوخت متان كند.

1399/11/15

Optimization and Exergy – Economic Analysis of Quadruple Combined Solar Brayton with Steam Rankin and Biogas Brayton with Organic Rankin Cycles with Methane System

1/6/2021 12:00:00 AM

Waste heat recovery from industrial processes in the past decades has attracted much attention in the field of energy. In this dissertation, a new configuration of four cycles including gas and steam cycles as well as an organic Rankine cycle and a Brighton biogas cycle are introduced to recover energy from hot exhaust gas. Also, the carbon-amine adsorption system is used to separate and store carbon dioxide from hot exhaust gases. For this new system, energy, exergy, economic, economic exergy and environmental exergy evaluations have been performed. This dissertation simulates and optimizes a combined solar cycle consisting of a Brighton and solar collector and an organic Rankine and Brighton biogas cycle to generate power and absorb carbon to produce methane in a methane generating unit. In this cycle, with the help of a solar collector, the central receiver enters the absorbed solar heat into the cycle and the excess amount will enter the storage system. This storage system will contain molten salt and the cycle will work only with solar heat and bring the air temperature to the desired level. The operating fluid, supercritical carbon dioxide, will then enter the gas turbine after passing through the receiver. On the one hand, because the turbine exhaust gases have a relatively high temperature, and on the other hand, carbon dioxide must reach a low temperature, so during the operation, it first enters the boiler and then returns to the Brighton solar cycle. The boiler converts water into steam and enters the steam turbine and the steam Rankin cycle is formed. After adsorbing carbon, it enters the methane generating unit and combines with the hydrogen obtained by electrolysis of part of the steam released from the steam Rankin cycle to produce methane. Innovation of this project is the use of supercritical carbon dioxide instead of air in the Brighton solar cycle and the use of molten salt storage system to store heat and use it when the weather is cloudy or at night when there is no sun and also use a methane generator after the organic Rankin cycle which is with power generation. To analyze the different sections, their thermodynamic and economic models are expressed and to determine the results, EES and MATLAB software are used, which will optimize the exergy-economic cycle to reduce costs and increase exergy. In this research, intelligent algorithms for optimizing genetic algorithms have been used for optimization. The target functions are the set exergy efficiency and the cost of electricity generation. At the optimal point, the values of exergy efficiency are equal to 61.7% and the cost of electricity generation is 267 Tomans per kilowatt hour. The results show that adding organic steam cycles and rankins to the gas cycle increases energy efficiency and exergy to 71.8 and 73.7, respectively. However, the integration of the carbon capture unit with this system reduces the energy and exergy efficiency to 50.5% and 51.9%, respectively. The economic results for the proposed system show that the simple return on investment and return on investment are both 1.5 years. In addition, net present value and domestic rate of return were 3.13 × 09 $and $ 0.68, respectively. In addition, the carbon capture system unit can prevent and convert 627,000 tons of carbon dioxide into methane fuel annually.

سيكل تركيبي خورشيدي و زيست گاز , سيكل رانكين آلي و بخار , بهينه سازي اگزرژي ، اقتصادي و زيست محيطي , جذب كربن

Combined solar and biogas cycle , Organic and steam Rankin cycle , Exergy, economic and environmental optimization , Carbon capture