30302

مدلسازي پايا-گذرا و بهينه¬سازي فني اقتصادي سيستم تركيبي موتور گازسوز، سيكل رانكين بخار و سيكل رانكين ارگانيگ

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1394

1402/10/5

سپهر صنايع

مهندسي مكانيك

در اين مطالعه يك سيستم بازيابي حرارت و توليد قدرت دو حلقه¬اي ابتكاري براي افزايش بازيابي گرما از اگزوز موتور گازسوز و آب خنك كننده ژاكت به منظور افزايش توان خروجي و راندمان حرارتي سيستم پيشنهاد شده است. از آنجايي كه اين سيستم بازيابي حرارت دو حلقه پيشنهادي در مراجع موجود مورد مطالعه قرار نگرفته است، و براي مقايسه، 18 سيستم تك حلقه¬اي و دو حلقه¬اي موجود در ادبيات فن و همچنين يك سيستم دو حلقه پيشنهادي با شش سيال عامل در حلقه بالايي و شش سيال عامل در حلقه پاييني (36 مورد) بررسي شده است (54 مورد در مجموع). اين سيستم‌ها از منظر انرژي، اگزرژي و اقتصادي مدل‌سازي شده‌اند و با انتخاب ده متغير طراحي و دو تابع هدف (دوره بازگشت سرمايه-بازده اگزرژي) با استفاده از الگوريتم ژنتيك بهينه‌سازي شده‌اند. نتايج نشان مي‌دهد كه با آب به‌عنوان سيال عامل براي حلقه بالايي (چرخه رانكين يا حلقه RC) و R141b براي حلقه پايين (چرخه رانكين آلي يا حلقه ORC)، كه در روش مدل‌سازي و بهينه‌سازي انتخاب مي‌شوند، سيستم RC-ORC پيشنهادي در ميان 53 مورد ديگر تك حلقه¬اي و دو حلقه¬اي مورد مطالعه برتري دارد. مشاهده مي شود كه پيكربندي پيشنهادي RC-ORC (با آب-R141b به عنوان سيال عامل)، كه با موتور گازسوز 2 مگاواتي يكپارچه شده است (به عنوان مثال)، توان خروجي 617 كيلووات با راندمان حرارتي 24 درصد، راندمان اگزرژي 55 درصد، هزينه سرمايه گذاري 1280 دلاري كيلووات بر واحد توان خروجي و حدود 3 سال دوره بازگشت سرمايه را دارد. در ادامه، مدلسازي گذراي سيستم دو حلقه¬اي پيشنهادي RC-ORC به منظور پيش بيني و كنترل عملكرد چرخه در طول راه اندازي و شرايط تغيير بار موتور گازسوز انجام شده است. اين مدل در نرم افزار MATLAB توسعه يافته و با استفاده از داده هاي موجود اعتبار سنجي شده است. نتايج براي دوره راه اندازي نشان دهنده افزايش نسبتاً شديد پارامترها در بازه زماني 500 تا 1200 ثانيه است. دماي خروجي سيال عامل اواپراتور RC از 159 به 254 درجه سانتيگراد ، توان خروجي خالص RC از 147 به 308 كيلو وات و توان خروجي خالص ORC از 165 به 300 كيلو وات و دبي جرمي سيال عامل RC و ORC به ترتيب از 0.25 به 0.50 و از 2.2 به 4.65 كيلوگرم بر ثانيه تغيير مي كند. علاوه بر اين، نتايج نشان مي‌دهد كه توربين سريع‌تر (1200 ثانيه) از اواپراتور (1750 ثانيه) به حالت پايا مي¬رسد و حلقه RC نيز ديرتر از حلقهORC (1750 ثانيه در مقايسه با 1300 ثانيه) به وضعيت پايا مي¬رسد. در نهايت، بهينه سازي سيستم پيشنهادي RC-ORC براي نانوسيالات مختلف (سيالات عامل مخلوط با چهار نانوذره Al2O3، CuO، Cu، TiO2) با كسر حجمي متفاوت (0.5، 1 و 2%) انجام شده است. نتايج بهينه¬سازي نشان مي¬دهد كه سيستم RC-ORC دو حلقه¬اي پيشنهادي با نانوسيال آب/مس (با درصد حجمي 2 درصد براي حلقه RC) و نانوسيال R141b/Cu (با درصد حجمي 0.5 درصد براي حلقه ORC) مناسب ترين عملكرد را دارد. تحت اين شرايط، بازده حرارتي، بازده اگزرژي، توان خروجي توربين و سود خالص سالانه سيستم پيشنهادي RC-ORC به ترتيب (4.4٪)، (17.2٪)، (15.4٪) و (15.6٪) افزايش مي¬يابد.

1402/10/17

Steady and Transient Modeling and Techno-Economic Optimization of the Gas Engine, Steam Rankine and Organic Rankine Cycle Integrated System

1/1/1900 12:00:00 AM

An innovative dual loop heat recovery and power generation system is proposed here to increase heat recovery from the gas engine (GE) exhaust and jacket cooling water and to augment the system power output and thermal efficiency. As this proposed dual loop heat recovery system is not studied in existing references, and for comparison purpose, 18 existing single and dual loop systems in literature as well as one proposed dual loop system with six working fluids in topping and six working fluids in bottoming loop (36 cases) are investigated here (54 cases in sum). These systems are modeled in energy, exergy and economic aspects and are optimized by selecting ten design variables and two objective functions (payback period-exergy efficiency) by the use of Genetic Algorithm. Results show that with water as working fluid for topping loop (Rankine cycle or RC loop) and R141b for bottoming loop (organic Rankine cycle or ORC loop), which are selected in modeling and optimization procedure, the proposed above RC-ORC system has advantages among 53 other studied single and dual loop cases. It is observed that the proposed configuration of RC-ORC (with water-R141b as working fluids), which is integrated with 2 MW gas engine (as an example) generated 617 kW power output with 24% thermal efficiency, 55% exergy efficiency, 1280 $.kW-1 investment cost per unit of power output and about 3 years payback period. Afterthat, Transient modeling of the innovative dual loop RC-ORC system is performed for predicting and controlling the performance of the system during the start-up and the gas engine load change conditions. The model is developed in MATLAB software and validated using available data. The results for the start-up period show a relatively sharp increase in parameters in time interval 500 to 1200 seconds. RC evaporator working fluid outlet temperature changes from 159 ˚C to 254 ˚C, RC net power output changes from 147 to 308 kW and ORC net power output changes from 165 to 300 kW. Furthermore, RC and ORC working fluid mass flow rates changes from 0.25 to 0.50 kg/s and from 2.2 to 4.65 kg/s respectively. Moreover, results show that the turbine reached the steady state condition faster (1200 s) than that for evaporator (1750 s) and RC loop reached steady state condition later than ORC loop (1750s in comparison with 1300s). Finally, Optimization of the proposed system is carried out for various nanofluids (working fluids mixed with four nanoparticles Al2O3, CuO, Cu, TiO2) with various volume fraction (0.5, 1, and 2%). Optimizatio results showed that the proposed dual loop RC-ORC system with water/Cu nanofluid (with volume percent of 2% for the RC loop) and 141b/Cu nanofluid (with a volume percent of 0.5% for the ORC loop) had the most suitable performance. Under these conditions, the thermal efficiency, the exergy efficiency, the turbine power output and the annual net profit of the proposed RC-ORC system increased by (4.4%), (17.2%), (15.4%) and (15.6%) respectively.

موتور گازسوز , سيكل رانكين ارگانيك , HRSG فايرتيوب و واتر تيوب , بهينه سازي چند هدفه , الگوريتم ژنتيك , مدلسازي گذرا , دوره راه اندازي و تغيير بار

Gas Engine , organic rankine cycle , Fire Tube & Water Tube HRSG , multi-objective optimization , Genetic Algorithm , Transient Modelling , Start up and Part Load Operation

Ali Ghaffari

Dr. Sanaye