طراحی و بهینه‌سازی توربین انبساطی شعاعی جهت تولید توان الکتریکی در ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز شهری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

کاهش فشار در ایستگاه­های تقلیل فشار گاز شهری به طور معمول توسط شیرهای اختناقی صورت می­پذیرد. با استفاده از تجهیز توربین انبساطی به منظورکاهش فشار می­توان علاوه بر کاهش فشار، طی یک فرایند نزدیک به فرایند بازگشت­پذیر، انرژی الکتریکی نیز تولید نمود. با انتخاب نقطه­ی طراحی برای یک ایستگاه تقلیل فشار، طراحی و آنالیز توربین انبساطی به کمک روش خط میانی در نرم­افزار Matlab توسعه یافته­است. سپس اثرگذاری 7 پارامتر طراحی بر توان تولیدی در طول یکسال با استفاده از آنالیز حساسیت سوبول انجام شده­است. با بهینه­سازی متغیرهای طراحی با استفاده از الگوریتم ژنتیک، توان تولیدی توربین انبساطی در طول یکسال حدود 25 مگاوات ساعت و بازدهی توربین انبساطی در نقطه­ی طراحی نیز 2/1 درصد افزایش داشته­است. سپس با ایجاد هندسه­ی روتور، نازل­ها و حلزونی، به حل جریان درون توربین انبساطی مذکور به کمک دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده­ و با نتایج حاصل از طراحی به کمک خط میانی مورد قیاس قرار گرفته­است. روند انجام شده در این پژوهش می­تواند روندی یکپارچه جهت طراحی توربین انبساطی بهینه برای هر ایستگاه تقلیل گاز شهری را فراهم نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Howard C, Oosthuizen P, Peppley B. An investigation of the performance of a hybrid turboexpander-fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction stations. Appl Therm Eng. 2011;31(13):2165–70.
  • Zabihi A, Taghizadeh M. Feasibility study on energy recovery at Sari-Akand city gate station using turboexpander. J Nat Gas Sci Eng. 2016;35.
  • فرزانه گرد م، خطیب م، شاهمردان م، همکاران. طراحی سیستم­های بازیافت انرژی در ایستگاه­های تقلیل فشار با استفاده از توربواکسپندر و سیستم CHP با محرک اولیه موتور احتراق داخلی. بیستمین همایش سالانه بین المللی مهندسی مکانیک ایران، شیراز. 2012;
  • صابری م. بررسی فنی و اقتصادی استفاده از توربین گاز در ایستگاه های تقلیل فشار گاز طبیعی. دانشگاه صنعتی شاهرود; 1391.
  • دانشمند ا. مطالعه و بررسی انرژتیک عملکرد توربین انبساطی در ایستگاه های تقلیل فشار گاز. دانشگاه صنعتی شاهرود; 1392.
  • Ebrahimi Saryazdi SM, Rezaei F, Saboohi Y. Optimal detailed design and performance assessment of natural gas pressure reduction stations system equipped with variable inlet guide vane radial turbo-expander for energy recovery. J Nat Gas Sci Eng. 2021;96.
  • عابد ح, افشاری ا, بهشتی ح. بررسی عملکرد سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد- توربین انبساطی برای ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، شماره 3، ص 154-145، 1399
  • Ventura CAM, Jacobs PA, Rowlands AS, Petrie-Repar P, Sauret E. Preliminary design and performance estimation of radial inflow turbines: An automated approach. J Fluids Eng Trans ASME. 2012;134(3).
  • Rahbar K, Mahmoud S, Al-Dadah RK, Moazami N. Parametric analysis and optimization of a small-scale radial turbine for Organic Rankine Cycle. Energy. 2015;83.
  • Deng QH, Shao S, Fu L, Luan HF, Feng ZP. An integrated design and optimization approach for radial inflow turbines-Part I: Automated preliminary design. Appl Sci. 2018;8(11).
  • Kumar M, Sahoo RK, Behera SK. Design and numerical investigation to visualize the fluid flow and thermal characteristics of non-axisymmetric convergent nozzle. Eng Sci Technol an Int J. 2019;22(1):294–312.
  • Kumar M, Panda D, kumar A, Sahoo RK, Behera SK. Preliminary design, flow field, and thermal performance analysis of a helium turboexpander: a numerical approach. SN Appl Sci. 2019;1(11).
  • Rahbar K. DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF SMALL-SCALE RADIAL INFLOW TURBINE FOR WASTE HEAT RECOVERY WITH ORGANIC RANKINE CYCLE. The University of Birmingham; 2016.
  • Aungier RH. Turbine Aerodynamics: Axial-Flow and Radial-Flow Turbine Design and Analysis. Turbine Aerodynamics: Axial-Flow and Radial-Flow Turbine Design and Analysis. 2010.
  • Whitfield A, Baines NC. Design of Radial Turbomachines. Longman Sci Tech. 1990;
  • Moustapha H, Zelesky M, Baines N, Japikse D. Axial and radial turbines [Internet]. Conceptsnrec.Com. 2003. 10 p. Available from: http://www.conceptsnrec.com/pdf/AxialRadialTOC.pdf%5Cnpapers2://publication/uuid/D3679347-7C53-4496-B178-44946EE4A02F
  • Glassman AJ. Computer program for design analysis of radial-inflow turbines. NASA Tech Note. 1976;(February).
  • Watanabe I, Ariga I, Mashimo T. Effect of dimensional parameters of impellers on performance characteristics of a radial-inflow turbine. J Eng Gas Turbines Power. 1971;93(1).
  • Wei Z. Meanline Analysis of Radial Inflow Turbines at Design and Off-Design Conditions. Carleton; 2014.
  • Jones AC. Design and test of a small, high pressure ratio radial turbine. J Turbomach. 1996;118(2).
  • Balje OE. A contribution to the problem of designing radial turbomachines. Trans ASME. 1952;74(4):451–72.
  • Ghosh SK, Sahoo RK, Sarangi SK. Mathematical analysis for off-design performance of cryogenic turboexpander. J Fluids Eng Trans ASME. 2011;133(3).
  • Suhrmann JF, Peitsch D, Gugau M, Heuer T, Tomm U. Validation and development of loss models for small size radial turbines. In: Proceedings of the ASME Turbo Expo. 2010.
  • Rodgers C, Geiser R. Performance of a high-efficiency radial/axial turbine. J Turbomach. 1987;109(2).
  • Balje OE. Turbomachines. A guide to design, selection and theory. 1981;
  • Wood HJ. Current technology of radial-inflow turbines for compressible fluids. 1963;

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار