بررسی عملکرد سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد- توربین انبساطی برای ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

در این مقاله، استفاده از سیستم توربین انبساطی- پیل سوختی اکسید جامد در ایستگاه تقلیل فشار گاز به جای سیستم­های متداول در ایران (استفاده از رگلاتور برای کاهش فشار)، پیشنهاد شده است و به بررسی عوامل موثر بر عملکرد سیستم هیبریدی پیشنهادی پرداخته می­شود. کاهش فشار در ایستگاه‌های متداول توسط شیرهای فشارشکن انجام می‌گیرد که تولید انرژی ندارند؛ اما با اضافه شدن توربین‌های انبساطی و پیل‌های سوختی، می‌توان انرژی الکتریکی نیز تولید کرده و آن ‌را به شبکه برق تزریق کرد. در زمستان به علت پایین بودن دمای گاز ورودی و همچنین بالا بودن فشار ورودی، در توربین انبساطی و شیرهای فشار شکن احتمال یخ‌زدگی و در نتیجه خرابی دستگاه‌ها خواهد بود. به این دلیل از یک بویلر برای تولید گرما استفاده می‌شود. چون پیل سوختی اکسید جامد گرمای زیادی در حین کار تولید می‌کند، می­توان از این گرما برای پیش‌گرمایش استفاده کرد و میزان مصرف سوخت را پایین آورد. این کار به کمک تحلیل حرارتی و الکتروشیمیایی پیل سوختی همراه با تحلیل ترمودینامیکی دیگر اجزای سیستم هیبریدی انجام می­گیرد. نتایج نشان می‌دهد ایستگاه تقلیل فشار با استفاده از ترکیب پیل سوختی و توربین، بازده 5 تا 10% بالاتری را نسبت به ایستگاه تقلیل فشار شامل پیل سوختی و شیر فشارشکن دارد. برای حالتی که سیستم دارای پیل سوختی است، میزان مصرف سوخت نسبت به حالتی که سیستم بدون وجود پیل سوختی کار می‌کند، بسیار زیاد است؛ زیرا بیشتر این سوخت صرف تولید توان الکتریکی می‌شود. همچنین استفاده از پیل سوختی در ایستگاه‌های تقلیل فشار باعث بالاتر رفتن بازده سیستم و در نتیجه کاهش مصرف سوخت نسبت به نیروگاه‌های چرخه ترکیبی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]   Poživil J., Use of expansion turbines in natural gas pressure reduction stations, Acta, Montanistica Slovaca, Vol. 9(3), pp. 258-260, 2004.
[2]   Rami E. G., Jean-Jacques B., Bruno D. and François M., Modelling of a pressure regulator, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 84, pp. 234-243, 2007.
[3] Farzaneh-Gord M., Arabkoohsar A., Deymi Dasht-bayaz c M., Farzaneh-Kord V., Feasibility of accompanying uncontrolled linear heater with solar system in natural gas pressure drop stations, Energy, Vol. 41, pp. 420-428, 2012.
[4] Arabkoohsar A., Farzaneh-Gord M., Deymi-Dashtebayaz M., Machado L., Koury R.N.N., A new design for natural gas pressure reduction points by employing a turbo expander and a solar heating set, Renewable Energy, Vol. 81 pp. 239-250, 2015.
[5] Farzaneh-Gord M., Arabkoohsar A., Deymi Dasht-bayaz M., Machado L., Koury R.N.N., Energy and exergy analysis of natural gas pressure reduction points equipped with solar heat and controllable heaters, Renewable Energy, Vol. 72, pp. 258-270, 2014.
[6] Zabihi A. and Taghizadeh M., Feasibility study on energy recovery at Sari-Akand city gate station using turboexpander,  Journal of Natural Gas Science and Engineering, Vol. 35, pp. 152-159, 2016.
[7]   Hosseini S., Ahmed K. and Tade M. O., CFD model of a methane fueled single cell SOFC stack for analyzing the combined effects of macromicro structural parameters," Journal of Power Sources, vol. 234, pp. 180-196, 2013.
[8]   Andersson M., Yuan J. and Sunden B., SOFC modeling considering hydrogen and carbon monoxide as electrochemical reactants, Journal of Power Sources, Vol. 232, pp. 42-54, 2013.
[9]   P. Tippawan and Arpornwichanop A., Energy and exergy analysis of an ethanol reforming process for solid oxide fuel cell applications, Bioresource Technology, Vol. 157, pp. 231-239, 2014.
[10] ج. پیرکندی, م. قاسمی و م. ح. حامدی, مقایسه­ی عملکرد سیستم­های هیبریدی مستقیم و غیر مستقیم توربین گاز و پیل سوختی اکسید جامد از دیدگاه ترمودینامیکی و اگزرژی، مجله ی علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرسشماره 12، ص 117-1391.
[11] Chan S. H., HoH K. and Tian Y., Modelling of simple hybrid solid oxide fuel cell and gas turbine power plant, Journal of Power Sources, Vol. 109, pp. 111-120, 2002.
[12] Motahar S. and Alamrajabi A. A., Exergy based performance analysis of a solid oxide fuel cell and steam injected gas turbine hybrid power system, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 2396-2407, 2009.
[13] Bavarsad P. G., Energy and Exergy Analysis of Internal Reforming Solid Oxide Fuel Cell-Gas Turbine Hybrid System, International Journal of Energy Research, Vol. 32, pp. 4591-4549, 2007.
[14] Pirkandi J., Mahmoodi M. and Ommian M., An optimal configuration for a solid oxide fuel cell-gas turbine (SOFC-GT) hybrid system based on thermo-economic modelling, Journal of Cleaner Production, Vo1. 144, pp. 375-386, 2017.
[15] Pirkandi J., Mahmoodi M. and Ommian M., Thermo-economic performance analysis of a gas turbine generator equipped with a pressurized and an atmospheric solid oxide fuel cell, Energy Conversion and Management, Vol. 136,  pp. 249-261, 2017.
[16] Neseli M. A., Ozgener O. and Ozgener L., Thermo-mechanical exergy analysis of Marmara Eregli natural gas pressure reduction station (PRS): An application, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 77, pp. 80–88, 2017.
[17]  Singhal S., Advances in solid oxide fuel cell technology, Solod state ionics, Vol. 135, No. 1, pp. 305-313, 2000.
[18] Howard C., Oosthuizen P. and Peppley B., An investigation of the performance of a hybrid turboexpander-fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction stations, Applied Thermal Engineering, Vol. 31, pp. 2165-2170, 2011.