Skip to main content
SUPERVISOR
Arjomand Mehrabani zeinabad
ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali reza Zeinali
علی رضا زینلی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Simulation, Energy and Exergy Analysis of Turboexpander for Power Recovery in Natural Gas Pressure Reduction Stations of Power Plants
Worldwide energy crisis makes it necessary to optimize consumption. One fundamental way to reduce energy consumption is recovery of waste energy. This can be applied in oil, gas and petrochemical industries in which large amounts of energy waste occur. One of this can be referred to gas traortation in which there is a pressure reduction at natural gas pressure reducing stations. Natural gas is traorted for longer distances through transit pipeline at high pressures. In a consumption place or at passing into a lower pressure pipeline, the pressure of the gas must be reduced. Supplying a proper natural gas pressure in combustion system of a power plant or steam boilers, the natural gas pressure should be reduced in multi stages. This is performed through pressure reduction stations and through throttle valves, where the isenthalpic expansion takes place without producing any energy. This reduction in pressure leads to energy loss and chilling of gases. A non-negligible amount of pressure energy is wasted through an irreversible process and throttling of natural gas lowers its potential energy. Most gases cool during the expansion, due to Joule-Thompson effect. Thus the reduction in the pressure can be used in power generation or chilling systems. In this study, based on usage of an expansion turbine for achieving pressure reduction, enhancement of energy recovery was analyzed. The replacement of the gas-throttling process by the process of its expansion in turbo expanders makes it possible to convert the pressure of the natural gas into the mechanical energy, which can be transmitted to a loading device, for example, an electric generator. Expansion turbines are usually coupled with a generator in one power pack. From thermodynamics relations involving enthalpy, entropy and also by using the first law of thermodynamic, supposing the expansion turbine undergoes an isentropic process, the work can be achieved. In this thesis, based on a performed modeling, a simulation program was carried out by using MATLAB software, in order to predict the behavior of natural gas (as a gas mixture) in high pressure, and calculate electrical power production by using an expansion turbine and the required energy for preheating of the gas. This is for prevention of having a two-phase flow system. The amount of generated power by the expansion turbine system was presented by simulation for various input pressure and temperature options. Furthermore, two technical study of recycling lost exergy of natural gas in Neka and Shazand pressure reduction stations was carried out. Then the feasibility study and exergy analysis of the proposed unit cycle was presented. The model was validated and its error was estimated to be 1% by comparing the simulation results of installed expansion turbines in Neka and the real specifications of the turbines. The simulation results of pressure reduction station in Shazand, have shown the possibility of installing two 9 MW expansion turbines. Accordingly, the total required heat for the inlet gas will be supplied by the lost heat of the main cycle, boilers blowdown. Exergy analysis has shown that the exergy efficiency of the proposed unit is 75%. Key Words: Pressure reduction station, expansion turbine, electricity generation, exergy analysis, modeling.
فشار گاز طبیعی ارسالی به نیروگاه‌های حرارتی در ایستگاه‌های تقلیل فشار در چند مرحله شکسته شده تا در نهایت به میزان مطلوب سامانه های احتراق در نیروگاه های گازی و یا دیگ‌های نیروگاه های بخار برسد. این کار توسط ایستگاه‌های تقلیل فشار و به وسیله شیرهای فشارشکن صورت می‌پذیرد. این شکسته شدن فشار، موجب اتلاف اگزرژی محتوی و برودت گاز می‌شود که می‌توانیم از افت فشاری که در ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز باید به وجود آید برای تولید توان و یا تبرید استفاده کرد. در ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز می‌توان از توربین‌های انبساطی به جای شیرهای فشارشکن استفاده و علاوه بر کاهش فشار، کار محوری تولید نمود، از توان کار محوری تولیدی به وسیله کاربرد ژنراتور می‌توان جریان الکتریسیته تولید کرد و همچنین از افت دما که به علت افت فشار رخ می‌دهد به تولید سرمایش پرداخت. گاز در حین انبساط در توربین انبساطی به شدت سرد می‌شود و باید آن ر ا قبل از ورود به توربین انبساطی گرم نمود تا دمای خروجی در حد مناسب باقی بماند. این کار باعث افزایش توان تولیدی نیز می‌گردد. نصب توربین انبساطی در برخی از ایستگاه‌های تقلیل فشار سوخت گاز نیروگاه‌های حرارتی کشور مورد توجه واقع شده است. که می‌توان به نصب توربین‌های انبساطی در نیروگاه‌های نکا، رامین اهواز و شهید منتظری اصفهان اشاره کرد. یک برنامه کامپیوتری (MATLAB) نوشته شده که قادر است رفتار گاز طبیعی (به عنوان مخلوط چند گاز) را در فشار بالا شبیه سازی و توان الکتریکی تولیدی به وسیله توربین انبساطی و انرژی لازم برای پیش گرمایش را محاسبه نماید. میزان توان تولیدی توسط سیستم توربین انبساطی را به وسیله شبیه سازی برای محدوده های مختلفی از فشار و دمای ورودی ارائه گردیده است. در نهایت به بررسی فنی طرح بازیافت اگزرژی اتلافی گاز طبیعی در ایستگاه تقلیل فشار نیروگاه های نکا و شازند اراک با استفاده از توربین‌های انبساطی اقدام شده و سپس به امکان سنجی فنی، آنالیز اگزرژی سیکل واحد پیشنهادی مبادرت شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می‌دهد که امکان نصب واحدی مشتمل بر دو دستگاه توربین انبساطی 9 مگاواتی در نیروگاه حرارتی شازند اراک وجود دارد، بطوریکه کل گرمایش مورد نیاز گاز ورودی به توربین‌ها توسط حرارت‌های اتلافی موجود در سیکل اصلی قابل تأمین و همه سرمای مورد نیاز جهت خنک کاری توربین‌ها نیز از گاز خروجی از توربین‌های انبساطی قابل بازیافت خواهد بود. در آنالیز جریان اگزرژی واحد پیشنهادی، راندمان اگزرژی مقدار مطلوب 75 % برآورد گردید. واژگان کلیدی: ایستگاه تقلیل فشار، توربین انبساطی، تولید انرژی الکتریکی، آنالیز اگزرژی، مدل سازی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی